Metody pomiarów wysokich napięć przemiennych, 

stałych i udarowych

Józef Roehrich

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   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]. 
Laboratorium   Wysokich   Napięć   dysponuje   kulami   o   średnicy  12,5   cm
oraz 25 cm. Zakres pomiarowy iskiernika kulowego wynosi [1]:

0,05 D

a



0,75

/1/

Przy czym w zakresie  0,5

D

a



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.

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   czerwono 

odpowiadają zakresowi 

0,5 D

a



0,75

dla którego niepewność jest większa.

Charakterystyka   U

p

=

f a w   postaci   graficznej   przedstawiona   jest   na 

rysunku   2,   na   rysunku   przedstawiono   zakres   0,05

D

a



0,5 dla   którego 

niepewność wynosi ±3%.

a [cm]

Śre dnica kul D [cm]

1 2,5

2 5

0,5

16,8

0,6

19,9

0,7

23,0

0,8

26,0

0,9

28,9

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

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.

U

p

=

kU

pn

/2/

gdzie:

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

=

p

1013⋅10

2

293

T

/3/

gdzie:

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.

E

1

, E

2

 – elektrody kondensatora (E

2

 elektroda ruchoma) [1]

Zmiana   energii   kondensatora   płaskiego   przy   zmianie   odstępu   pomiędzy 
elektrodami wyraża się wzorem:

dW =−1

2

U

2



0

s 1

a

2

da

/4/

gdzie:

s

̶

powierzchnia elektrody,

a

̶

odstęp między elektrodami,

Praca   jaką   wykona   siła   elektrostatyczna   oddziaływania   pomiędzy   okładkami 
kondensatora (czyli siła F) wynosi:

F=dW

da

/5/

Czyli stąd wynika że:

U=a



2F



0

s

/6/

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 spadki napięć na nich. Sygnał pomiarowy pobierany jest 
z impedancji o mniejszej wartości. Przekładnia dzielnika wyraża się wzorem:

=

U

U

2

=

C

1

C

2

C

1

/7/

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].

U

m

=

I

2fC

=

kI

/8/

gdzie:

C

̶

pojemność kondensatora wysokonapięciowego,

f

̶

częstotliwość

Rysunek 4: Metoda prostownikowa z kondensatorem szeregowym

C – kondensator wysokonapięciowy, E – ekran, P

1

 P

2

- 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.

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   zawsze   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, układ ten przedstawiono na rysunku 5.

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,  nieuziemienie 
może spowodować zagrożenie porażeniowe!   Dzielnik  KVM 200 służ do 
pomiaru   napięć   przemiennych   jak   i   stałych.   Zadaniem   studentów   jest 
porównanie   wskazań   dzielnika   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.