Ćwiczenie 6 

„Badanie wyładowań elektrycznych w układach 

izolacyjnych” 

 

 

opracował Mariusz Benesz 

 

1.  Cel i zakres ćwiczenia 

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z warunkami powstawania, mechanizmami rozwoju  

i formami wyładowań elektrycznych w układach izolacyjnych. Zakres ćwiczenia obejmuje 
obserwacje powstawania i rozwoju wyładowań oraz pomiar napięcia początkowego 
wyładowań niezupełnych U

0

 i napięcia przeskoku U

P

 w powietrznych układach izolacyjnych 

typu wsporczego i przepustowego. 

2. Wprowadzenie 

Wytrzymałość elektryczną

1

 układów izolacyjnych obniżają wszelkiego rodzaju procesy 

jonizacji, efektem których jest wzrost koncentracji cząsteczek naładowanych przechodzących 
w rożne formy wyładowań elektrycznych. Wyładowania elektryczne można podzielić na: 

-  wyładowania zupełne, powodujące zwarcie elektrod układu izolacyjnego, 
- wyładowania niezupełne, nie powodujące zwarcia elektrod układu izolacyjnego  

i o zasięgu ograniczonym do pewnej przestrzeni wokół elektrod. 

Układy izolacyjne, ze względu na rozkład pola elektrycznego oraz zjawiska zachodzące 

na powierzchniach granicznych między poszczególnymi dielektrykami wchodzącymi w skład 
danego układu izolacyjnego, można podzielić na dwa zasadnicze typy: 

-  układ izolacyjny typu wsporczego, charakteryzującego się obecnością wyłącznie 

składowej stycznej natężenia pola elektrycznego,  

-  układ izolacyjny typu przepustowego, charakteryzującego się przewagą składowej 

normalnej natężenia pola elektrycznego. 

Występujące wyładowania elektryczne na powierzchniach granicznych dielektryków  

w układzie izolacyjnym typu wsporczego noszą nazwę wyładowań powierzchniowych, zaś 
wyładowania elektryczne występujące na powierzchniach granicznych dielektryków 

 

w układzie izolacyjnym typu przepustowego noszą nazwę wyładowań ślizgowych. 

 

                                                 

1

 Wytrzymałość elektryczna – graniczna wartość natężenia pola elektrycznego, przy którym układ izolacyjny 

traci swoje właściwości izolacyjne. 

 

6 – 1

2.1. Wyładowania powierzchniowe 
Wyładowania powierzchniowe w układach izolacyjnych występują w sytuacjach, kiedy 

mamy do czynienia z równoległym rozkładem pola elektrycznego w stosunku do powierzchni 
granicznych między dielektrykami wchodzącymi w skład danego układu. 

Typowym układem, w którym występują tego typu wyładowania elektryczne to izolator 

wsporczy, czyli układ, w którym materiał izolacyjny (np. w formie walca) stanowi przerwę 
izolacyjną pomiędzy równoległymi elektrodami (rys. 6.1). 

 

Rys. 6.1. Układ izolacyjny typu wsporczego  

a) rozkład pola elektrycznego, b) warunki zapoczątkowania wyładowania powierzchniowego 

 

Rys. 6.2. Rzeczywiste układy izolacyjne typu wsporczego [8,9]

 

Tego typu układy izolacyjne mogą mieć jednostajny rozkład natężenia pola elektrycznego, 

jeżeli elektrody są  płaskie i równolegle zamocowane a powierzchnia kontaktu dielektryka  
z elektroda jest znacznie mniejsza niż powierzchnia samych elektrod (rysunek 6.1a). W takim 

 

6 – 2

przypadku występujące w układzie uwarstwienie dielektryków nie wpływa na rozkład pola  
i jest on jednostajny. Do odkształcenia pola elektrycznego i obniżenia wartość napięcia 
przeskoku może dojść w wyniku [1, 3]: 

- występowania wyładowań niezupełnych w wszelkiego rodzaju szczelinach czy 

wgłębieniach w dielektryku, 

- zmiany  przewodności po powierzchni dielektryka spowodowane np. obecnością 

warstwy zabrudzeniowej na powierzchni dielektryka. 

W rzeczywistych układach izolacyjnych, gdzie mamy do czynienia z ograniczonymi 

wymiarami geometrycznymi, rozkład pola jest dość często silnie niejednostajny i opis 
występujących na powierzchniach granicznych wyładowań jest utrudniony. Przykłady 
rzeczywistych układów izolacyjnych typu wsporczego przedstawiono na rysunku 6.2. 

2.2. Wyładowania ślizgowe 
Wyładowania  ślizgowe w układach izolacyjnych występują w tzw. układach ukośnych,  

w których wektor natężenia pola elektrycznego zmienia kierunek na powierzchniach 
granicznych między dielektrykami wchodzącymi w skład danego układu. 

Typowym układem, w którym występują tego typu wyładowania elektryczne to izolator 

przepustowy, czyli walec izolacyjny, zamocowany w zewnętrznym kołnierzu (zwykle 
uziemionym) i zawierającym wewnątrz szynę przewodzącą (rys. 6.3).  

 

Rys. 6.3. Układ izolacyjny typu przepustowego  

a) rozkład pola elektrycznego, b) warunki zapoczątkowania wyładowania ślizgowego 

 

Rys. 6.4. Rzeczywiste układy izolacyjne typu przepustowego [8,9]

 

 

6 – 3

Na rysunku 6.5 przedstawiono elektryczne warunki rozwoju wyładowań  ślizgowych.  

W takim układzie obok warstwy dielektryka stałego, która jest narażona na przebicie (droga 
AB), mamy do czynienia z dielektrykiem gazowym (powietrzem), w którym może dojść do 
wyładowań powierzchniowych (droga ADC).  

 

Rys. 6.5. Mechanizm rozwoju wyładowań ślizgowych

 

Rozpatrując elementarną powierzchnię graniczną 

Δs (np. w punkcie D) mamy do 

czynienia z pojemnościowym dzielnikiem napięcia (rys. 6.5), przy czym znaczna część 
przyłożonego do układu napięcia przypada na pojemność związana z otaczającym 
dielektrykiem (powietrzem): 

2

ε

1

ε

2

ε

1

ε

C

C

C

U

U

+

⋅

=

[kV] 

         

(6.1) 

gdzie: 

- 

C

ε1

:   pojemność elementarnej powierzchni granicznej względem elektrody uziemionej, 

- 

C

ε2

:  

pojemność elementarnej powierzchni granicznej względem elektrody do, której 
przyłożono napięcie 

U, 

- 

U

ε1

:   napięcie związane z pojemnością 

C

ε1

. 

Przy zwiększeniu napięcia 

U powyżej napięcia początkowego, niejednostajność rozkładu 

napięcia jest powodem pojawienia się wyładowań  świetlących w pobliżu elektrody 
uziemionej. Pojawiające się smugi świetlne rozszerzają się i łączą w iskry ślizgowe, które 
poruszają się z głośnym trzaskiem. Przy dalszym zwiększaniu napięcia iskry wydłużają się  
i docierają do przeciwnej elektrody – mamy do czynienia z zupełnym przeskokiem iskrowym. 
Należy tutaj zaznaczyć, że składowa normalna wektora natężenia pola elektrycznego wokół 
układu izolacyjnego typu przepustowego odpowiada za powstanie wyładowania, zaś za 
rozwój i rozprzestrzenianie wyładowania (iskier ślizgowych) odpowiada składowa styczna. 

W normalnych warunkach eksploatacyjnych nie powinno się dopuścić do sytuacji,  

w których mogą wystąpić wyładowania powierzchniowe czy ślizgowe. By do tego nie 
dopuścić stosowane są różne środki zapobiegawcze, mające na celu: 

- podwyższenie napięcia początkowego wyładowań przez zmniejszenie jednostkowej 

pojemności powierzchniowej 

C

0

, uzyskiwane m.in. poprzez zwiększenie grubości lub 

 

6 – 4

wysokości dielektryka albo poprzez dobór odpowiednich materiałów dielektrycznych 
(zmniejszenie różnic między przenikalnościami elektrycznymi), 

- zmniejszenie nierównomierności rozkładu pola elektrycznego stosując sterowanie pola 

metodą pojemnościową lub rezystancyjną, uzyskiwane m.in. poprzez stosowanie pokryć 
przewodzących (lakierów) lub ekranów w dielektryku. 

2.3. Napięcie początkowe  U

0

 i napięcie przeskoku U

P

 w układach 

izolacyjnych typu wsporczego i przepustowego 

Zarówno w układach izolacyjnych typu wsporczego, jak i przepustowego napięcie 

początkowe wyładowań niezupełnych zależy głównie od kształtu elektrod (stopnia 
nierównomierności pola elektrycznego), a napięcie przeskoku 

U

P

 – od drogi przeskoku 

wzdłuż powierzchni dielektryka. Nie ma prostej zależności pozwalającej na wyznaczenie tych 
wielkości. Jedynie można się posłużyć wzorami empirycznym, które pozwalają z mniejszym 
czy większym przybliżeniem wyliczyć wyżej wymienione wartości.   

Wartość skuteczną napięcie początkowego 

U

0 

wyładowania niezupełnego można wyliczyć 

np. ze wzoru Toeplera

2

 [4]: 

4

44

,

0

0

0

10

36

,

1

−

⋅

=

C

U

[kV] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 (6.2) 

gdzie: 

- C

0

:  jednostkowa  pojemność powierzchniowa [F/cm

2

] układu izolacyjnego, przy czym 

dla układu izolacyjnego typu wsporczego

3

: 

h

C

w

ε

ε

0

0

⋅

=

[F/cm

2

],   

 

 

 

 

 

 

 (6.3) 

a dla układu izolacyjnego typu przepustowego: 

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅

⋅

=

r

R

R

C

w

ln

ε

ε

0

0

 [F/cm

2

] 

 

 

 

 

 

 

 (6.4) 

gdzie: 

- 

ε

0 

: przenikalność elektryczna próżni 

ε

0

 = 8,85·10

-14

 [F/cm], 

- 

ε

w 

: względna przenikalność elektryczna dielektryka [-], 

- h : 

wysokość dielektryka [cm], 

- R, r : promień wewnętrzny i zewnętrzny dielektryka [cm]. 
Wartość skuteczną napięcie przeskoku U

P 

wyładowania zupełnego można wyliczyć np. na 

podstawie następującego równania

4

 [7]: 

14

36

,

3

+

⋅

=

h

U

P

 [kV]   

 

 

 

 

 

 

 

 (6.5) 

gdzie: 

- h:   odległość między elektrodami [cm]. 

                                                 

2

 Uwaga:   równanie słuszne dla C

0

 ≥ 0,25·10

-12

 [F/cm

2

]. 

3

 Uwaga:   równania dotyczą układów izolacyjnych jednowarstwowych. 

4

 Uwaga:   równanie słuszne dla odległości między elektrodami h > 8 cm, a większe dokładności otrzymuje się 

przy h > 30 cm. 

 

6 – 5

3. Program ćwiczenia 

Badania przeprowadza się w układzie pomiarowym, którego schemat został 

przedstawiony na rysunku 6.6. 

 

Rys. 6.6. Schemat układu pomiarowego 

R

0 

– rezystor ograniczający prąd zwarcia, R

t 

– rezystor tłumiący drgania,  

TR – transformator regulacyjny, TP – transformator probierczy. 

Badając poszczególne układy izolacyjne wykonuje się pomiary napięć (początkowego  

i przeskoku) w warunkach laboratoryjnych, które są określone przez następujące parametry: 
temperaturę  t  [°C], ciśnienie  p [hPa] oraz wilgotność względną  w [%]. Chcąc następnie 
porównać te wielkości z wielkościami napięć wyliczonych na podstawie równań (6.2) i (6.5) 
należy uwzględnić przy wielkościach wyliczonych współczynnik korekcyjny k, który zależy 
od gęstości względnej powierza 

δ

w

, określonej równaniem:  

T

p

w

293

1013

δ

⋅

=

[-] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 (6.6) 

gdzie: 

- p  : ciśnienie otoczenia, w którym dokonano pomiaru [hPa], 
- T  : temperatura otoczenia, w którym dokonano pomiaru [°K]. 

Wartość współczynnika korekcyjnego k w funkcji gęstości względnej zestawiono w tabeli 6.1. 

Tabela 6.1.   Wartości współczynnika korekcyjnego k

5

 [5] 

ρ

w

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 

3.1. Badanie wyładowań powierzchniowych 
Przed przystąpieniem do pomiarów należy zaznajomić się z budową modelu izolatora 

wsporczego oraz zmierzyć potrzebne wymiary geometryczne, by na podstawie wzorów 
empirycznych móc porównać wielkości zmierzone z wyliczonymi. Wyniki pomiarów  
i obliczeń zestawić w tabeli 6.2, jak również przedstawić w formie odpowiednich wykresów. 

 

                                                 

5

 Uwaga: przy odczytywaniu współczynnika k dla pośrednich wartości 

δ

w

 dokonać aproksymacji liniowej. 

 

6 – 6

Tabela 6.2   Wyniki pomiarów i obliczeń napięć przy badaniu wyładowań powierzchniowych 

na modelu izolatora wsporczego 

U

0

 [kV] 

U

P

 [kV] 

Lp. 

h 

[mm]

C

0 

[pF/cm

2

]  zmierzone wyliczone zmierzone wyliczone 

1 

6 

 

    

2 

8 

 

    

M

 

M

 

 

 

 

 

 

8 

20 

 

    

h – wysokość izolatora, C

0

 – jednostkowa pojemność powierzchniowa, U

0

 – napięcie początkowe 

wyładowań niezupełnych, U

P

 – napięcie przeskoku. 

 
Mechanizm rozwoju wyładowań powierzchniowych zaobserwować na modelu izolatora 

wsporczego, którego szkic został przedstawiony na rysunku 6.7a. Model ten posiada regulację 
odległości między stopą a kołpakiem izolatora, przy czym regulacja ta odbywa się przez 
poluzowanie śruby dociskowej. 

 

Rys. 6.7. Model badanego izolatora: a) wsporczego, b) przepustowego 

Obok obserwacji mechanizmu rozwoju wyładowań powierzchniowych, badania tego typu 

wyładowań obejmują również pomiar napięcia początkowego wyładowań niezupełnych  U

0

 

oraz pomiar napięcia przeskoku U

P

 przy różnych wysokościach izolatora. Pomiarów tych 

napięć dokonać należy dla wysokości izolatora w zakresie od 6 do 20 cm, przy zmianie co  
2 cm. Neonówka, wchodząca w skład układu pomiarowego, jest zastosowana jako wskaźnik 
napięcia początkowego wyładowań niezupełnych U

0

 i wpinana tylko w czasie pomiaru U

0

. 

3.2. Badanie wyładowań ślizgowych 
Przed przystąpieniem do pomiarów należy zaznajomić się z budową modelu izolatora 

wsporczego oraz zmierzyć potrzebne wymiary geometryczne by na podstawie wzorów 
empirycznych móc porównać wielkości zmierzone z wyliczonymi. Wyniki pomiarów  
i obliczeń zestawić w tabeli 6.3 

Tabela 6.3   Wyniki pomiarów i obliczeń napięć przy badaniu wyładowań powierzchniowych 

na modelu izolatora przepustowego 

U

0

 [kV] 

U

P

 [kV] 

r 

 [mm] 

R 

 [mm] 

C

0

[pF/cm

2

]  zmierzone wyliczone zmierzone wyliczone 

 

 

 

 

 

 

 

r,  R – promień wewnętrzny i zewnętrzny izolatora, C

0

 – jednostkowa pojemność 

powierzchniowa, U

0

 – napięcie początkowe wyładowań niezupełnych, U

P

 – napięcie przeskoku. 

 

 

6 – 7

Mechanizm rozwoju wyładowań  ślizgowych zaobserwować na modelu izolatora 

przepustowego, którego szkic został przedstawiony na rysunku 6.7b. 

Obok obserwacji mechanizmu rozwoju wyładowań  ślizgowych, badania tego typu 

wyładowań obejmują również pomiar napięcia początkowego wyładowań niezupełnych  U

0

 

oraz pomiar napięcia przeskoku U

P

. Neonówka, wchodząca w skład układu pomiarowego, 

jest zastosowana jako wskaźnik napięcia początkowego wyładowań niezupełnych  U

0

  

i wpinana tylko w czasie pomiaru U

0

. 

3.3. Wyznaczenie zależności U

0

=f(g) 

Wyznaczenie zależności U

0

 w funkcji grubości warstwy izolacji g wykonać dla płaskiego 

układu izolacyjnego, którego szkic przedstawiono na rysunku 6.8.  

 

Rys. 6.8. Model badanego płaskiego układu izolacyjnego 

Pomiarów dokonać dla kilku warstw materiału izolacyjnego (płyt szklanych). Zmierzyć 

potrzebne wymiary geometryczne, by na podstawie wzorów empirycznych móc porównać 
wielkości zmierzone z wyliczonymi. Jako wskaźnik napięcia początkowego wyładowań 
niezupełnych  U

0

 zastosować neonówkę. Wyniki pomiarów i obliczeń zestawić w tabeli 6.4 

jak również przedstawić w formie odpowiednich wykresów. 

Tabela 6.4   Wyniki pomiarów i obliczeń napięć przy wyznaczaniu zależności U

0 

= f(g) 

U

0

 [kV] 

Lp. 

g 

[mm] 

C

0

[pF/cm

2

]

zmierzone wyliczone 

1    

 

 

2    

 

 

M 

 

 

 

 

g – grubość materiału izolacyjnego, C

0

 – jednostkowa pojemność 

powierzchniowa, U

0

 – napięcie początkowe wyładowań niezupełnych. 

3.4. Badanie izolatorów liniowych i stacyjnych 
Dla wskazanych przez prowadzącego izolatorów liniowego i stacyjnego zaobserwować 

mechanizm rozwoju wyładowań i wyznaczyć napięcie początkowe wyładowań niezupełnych 
U

0 

i napięcie przeskoku U

P 

w warunkach: na sucho i na mokro. Zmierzyć potrzebne wymiary 

geometryczne, by na podstawie wzorów empirycznych móc porównać wielkości zmierzone  
z wyliczonymi. Wyniki pomiarów i obliczeń zestawić w tabeli 6.5.  

 
 
 
 
 

 

6 – 8

Tabela 6.5  Wyniki pomiarów i obliczeń napięć przy badaniu izolatorów liniowych  

i stacyjnych 

  Badania na sucho 

Badania na mokro 

U

0

 [kV] 

U

P

 [kV] 

U

0

 [kV] 

U

P

 [kV] 

Lp. 

Typ  

i oznaczenie 

izolatora 

h 

[cm] 

C

0

[pF/cm

2

]

Z W Z W Z W Z W 

1 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h – odległość między okuciami izolatora, C

0

 – jednostkowa pojemność powierzchniowa, U

0

 – napięcie 

początkowe wyładowań niezupełnych, Z – wartości zmierzone, W – wartości wyliczone. 

4. Sprawozdanie 

Sprawozdanie powinno zawierać: 

-   krótki wstęp teoretyczny obejmujący najważniejsze zagadnienia związane z wyko-

nywanym ćwiczeniem, 

-   schemat układu probierczego, 
-  warunki otoczenia przeprowadzanych pomiarów, 
-   charakterystykę badanych obiektów (krótki opis, staranne rysunki), 
-   wyniki pomiarów i obliczeń dotyczących układu izolacyjnego typu wsporczego  

i przepustowego, 

-   wyznaczenie napięcia U

0

 i U

P

 na poszczególnych izolatorach liniowym i wsporczym 

na podstawie wzorów empirycznych i porównanie ich z wartościami zmierzonymi, 

-   wyznaczenie  napięcia początkowego wyładowań  ślizgowych  U

0

 dla układu 

izolacyjnego cylindrycznego i płaskiego na podstawie wzorów empirycznych  
i porównanie ich z wartościami zmierzonymi, 

- wykresy 

zależności U

P

 = f (h) i U

0

 = f (g), 

-  wnioski (zebrane w kilku spójnych zdaniach, ewentualnie wypunktowanych). 

 
Przy obliczeniach przyjąć następujące wartości względnej przenikalności elektrycznej 

materiałów izolacyjnych: 

 

Lp. Materiał 

ε

w

 [-] 

1 

porcelana 

4 ÷ 5 

2 szkło 7 

5.  Zagadnienia do samodzielnego opracowania 

5.1.  Kryterium, podział i charakterystyka wyładowań w układach izolacyjnych WN. 
5.2.  Mechanizm rozwoju wyładowań w układach izolacyjnych WN. 
5.3.  Sposoby ograniczania powstawania wyładowań w układach izolacyjnych WN. 
5.4.  Obliczyć napięcie początkowe  U

0 

wyładowań  ślizgowych dla układu 

przedstawionego na rysunku 6.9a, jeżeli grubość warstwy masy kablowej g = 2 mm, 
a jej względna przenikalność elektryczna 

ε

w

 = 3. 

5.5.  Obliczyć napięcie początkowe  U

0 

wyładowań  ślizgowych dla układu 

przedstawionego na rysunku 6.9b, jeżeli grubość  płyty szklanej a = 3 mm, a jej 
względna przenikalność elektryczna 

ε

w

 = 7. Jakie można wysunąć wnioski 

porównując otrzymane wyniki z wynikami z zadania 5.4? 

 

6 – 9

5.6.  Obliczyć napięcie początkowe  U

0 

wyładowań powierzchniowych oraz napięcie 

przeskoku U

P

 dla układu przedstawionego na rysunku 6.9c, jeżeli długość izolatora  

l = 20 cm, średnica sworznia (metalowej szyny) d = 3 cm, grubość warstwy 
porcelany  g = 7 cm i względna przenikalność elektryczna porcelany 

ε

w

 = 5. Czy  

w tym układzie  U

0

 < U

P

? Jak zmieni się sytuacja, jeżeli długość izolatora 

zwiększymy o 50 %? 

 

Rys. 6.9. Układy do zagadnień 5.4 – 5.6

 

6. Literatura 

1.  Flisowski Z. „Technika Wysokich Napięć”, Wydawnictwo Naukowo – Techniczne, 

Warszawa 1996. 

2.  Florkowska B. „Podstawy metod badań układów izolacyjnych wysokiego napięcia”, 

Skrypt AGH nr 1245, Kraków 1992. 

3.  Florkowska B. „Technika Wysokich Napięć”, Skrypt AGH nr 1294, Kraków 1991. 
4.  Florkowska B. „Wytrzymałość elektryczna gazowych układów izolacyjnych 

wysokiego napięcia”, Wydawnictwo Naukowo – Dydaktyczne AGH, Kraków 2003. 

5.  Kosztaluk R. „Technika badań wysokonapięciowych T1 i T2”, Wydawnictwo 

Naukowo – Techniczne, Warszawa 1985. 

6.  Norma PN-81/E-05001 „Urządzenia elektroenergetyczne wysokiego napięcia. 

Znamionowe napięcia probiercze ”. 

7.  Szpor St., Dzierżek H., Winiarski W. „Technika wysokich napięć”, Wydawnictwo 

Naukowo – Techniczne, Warszawa 1978. 

8.  www.ces.com.pl – strona internetowa Centrum Elektroniki Stosowanej „CEZ” Sp.  

z o.o., stan na marzec 2009r. 

9.  www.zapel.com.pl – strona internetowa Zakładu Porcelany Elektrotechnicznej 

„ZAPEL S.A.”, stan na marzec 2009r.  

 

6 – 10