Skripta Lab.cv. Vysoké napětí

.
Základní normy pro tyto zkoušky předepisují průběhy aperiodických impulsů napětí.
Kromě zkoušek atmosférickými impulsy 1,20/50 µs, které napodobují impulsní
napěťová namáhání v důsledku vnějších přepětí (údery blesků do vedení apod.), jsou pro
jmenovitá napětí U
n
> 300 kV předepsány i zkoušky spínacím impulsem 250/2500 µs, které
mají za účel ověřit odolnost izolace proti vnitřním (provozním) přepětím.
2.3.2 Zdroje střídavého napětí
Základní požadavek na zdroje vysokých střídavých napětí je vytvoření napětí
sinusového průběhu, které musí být nezávislé na předvýbojích jak ve zkušebním obvodu, tak
na zkoušeném předmětu.
Nejjednodušší zkušební transformátor pro nízký rozsah napětí (např. do l00 kV) je
běžný měřicí transformátor, napájený na nízkonapěťové straně z regulačního transformátoru.
Pro dosažení vyšších zkušebních napětí můžeme použít kaskádovou transformátorovou
jednotku, což je v principu transformátor se třemi vinutími A, B, C, kde vinutí A představuje
napájecí vinutí, B vinutí, které vytváří vysoké napětí, a C slouží jako zdroj pro následující
stupeň kaskády. Následující Obrázek 2.12 ukazuje princip sestavy transformátorové kaskády.
Transformátorová kaskáda, která je jako napěťový zdroj používána při měřeních
(výrobce TUR, nyní SIEMENS), je napájena z regulačního transformátoru TEO 380 V /
(0 ÷ 1300) V do vinutí A prvního stupně. Toto napětí je transformováno vinutím B až do
napětí 166 kV, což je maximální sekundární napětí jednoho stupně. Celkové výstupní napětí
třístupňové kaskády je potom 3.166 = 488 kV při jmenovitém výstupním výkonu 150 kVA.
Tuto kaskádu je možno provozovat při běžné průmyslové frekvenci 50 Hz a též napájet
rotačními generátory při frekvencích buď 100 Hz nebo 200 Hz. Je možné též plynulé
nastavení frekvence od 0 Hz do 60 Hz.




22 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Obrázek 2.12: Znázornění sestavy transformátorové kaskády
2.4 Atmosférické korekční faktory
Přeskokové napětí vnější izolace závisí na atmosférických podmínkách při zkouškách.
Aby se docílilo lepší reprodukovatelnosti a porovnání výsledků měření, korigují se
přeskoková napětí a zpravidla též zkušební napětí zkoušených předmětů s vnější izolací.
Obecně jsou korekce závislé na hustotě (tlaku a teplotě) a vlhkosti vzduchu, na polaritě a
druhu zkušebního napětí a na tvaru a vzdálenosti elektrod.
Referenční standardní atmosféru charakterizují atmosférické podmínky:
- teplota t
0
= 20 °C
- tlak p
0
= 101,3 kPa (1 013 mbar)
- absolutní vlhkost h
0
= 11g/m
3

Obvykle se přeskokové napětí pro danou dráhu ve vzduchu zvětšuje se zvýšením
hustoty nebo vlhkosti vzduchu. Jestliže relativní vlhkost přesáhne 80 %, je hodnota
přeskokového napětí nestálá, zvláště jde-li o přeskok podél izolačního povrchu.
Použitím korekčních faktorů se může hodnota přeskokového napětí naměřená při
daných podmínkách při zkoušce (teplota t, tlak p, vlhkost h) přepočítat na hodnotu, která by
byla dosažena při referenčních standardních podmínkách (t
0
, p
0
, h
0
). Naopak, zkušební napětí
stanovené pro dané referenční standardní podmínky lze přepočítat na ekvivalentní hodnotu při
podmínkách zkoušky.
Přeskokové napětí je úměrné atmosférickému korekčnímu faktoru K
t
, který je dán
součinem dvou korekčních faktorů:
- korekční faktor na hustotu vzduchu k
l

- korekční faktor na vlhkost vzduchu k
2

Vysoké napětí a elektrické přístroje 23
21
.kkK
t
=
( 2.1 )
Napětí U, které má být při zkoušce přiloženo na vnější izolaci, je určeno násobením
stanoveného zkušebního napětí U
0
faktorem K
t
:
t
KUU .
0
= .
( 2.2 )
Podobně se naměřená přeskoková napětí U přepočítávají na U
0
odpovídající referenční
standardní atmosféře dělením faktorem K
t
.
t
K
U
U =
0

( 2.3 )
Korekční faktor na hustotu vzduchu k
1
závisí na relativní hustotě vzduchu δ a obecně se
vyjadřuje vztahem:
m
k δ=
1
, ( 2.4 )
kde m je exponent uvedený v normě.
Jsou-li teploty t a t
0
vyjádřeny ve stupních Celsia a hodnoty atmosférického tlaku p a p
0
ve stejných jednotkách (kPa nebo mbar), je relativní hustota vzduchu dána vztahem:
t
t
p
p
+
+
=
273
273
0
0
δ
( 2.5 )
Korekční faktor na vlhkost vzduchu lze vyjádřit vztahem:
w
kk =
2
, ( 2.6 )
kde w je exponent uvedený v normě a k je parametr, který závisí na typu zkušebního
napětí a který lze pro praktické účely přibližně získat jako funkci poměru absolutní vlhkosti h
a relativní hustoty vzduchu δ s použitím křivek uvedených v normě. Pro hodnoty h/δ při
hodnotě vlhkosti vyšší než 15 g/m
3
se korekce stále zvažují a hodnoty faktoru k odečtené z
křivek v normě se mohou uvažovat jako horní hranice.
Při zkouškách za deště nebo zkouškách umělým znečištěním se neprovádí korekce na
vlhkost vzduchu.

Shrnutí
Laboratoř vysokého napětí FEKT VUT je vybavena stavebnicí, která umožňuje
sestavení zdrojů střídavého napětí 100 kV a 200 kV, stejnosměrného napětí 100 kV a
200 kV a impulsního napětí 130 kV a 260 kV.
V laboratoři IVEP, a.s., Brno je instalován generátor impulsního napětí, který umožňuje
dosažení maximálního napětí 1200 kV, a zdroj střídavého napětí, který poskytuje napětí
až 488 kV.
Použitím korekčních faktorů, uvedených v normě, lze hodnotu přeskokového napětí,
naměřenou při daných podmínkách při zkoušce v laboratoři vysokého napětí, přepočítat
na hodnotu, která by byla dosažena při referenčních standardních podmínkách.
Naopak, zkušební napětí stanovené pro dané referenční standardní podmínky lze
přepočítat na ekvivalentní hodnotu při podmínkách zkoušky.

24 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
3 Laboratorní úlohy
Tato část obsahuje osm laboratorních úloh. Text ke každé z úloh je členěn na tři části –
zadání, stručný teoretický rozbor úlohy a samotný postup měření. Za každou z úloh
následuje shrnutí obsahující také pokyny ke zpracování a vyhodnocení měření.
3.1 Měření střídavého vysokého napětí
Cílem tohoto cvičení je ozřejmit metody měření střídavého vysokého napětí s kulovým
jiskřištěm. V první části cvičení využijeme kulového jiskřiště ke kontrole měřícího
přístroje připojeného k děliči napětí. V druhé částí provedeme kontrolu časového
průběhu výstupního napětí zdroje určením poměru mezi maximální a efektivní
hodnotou napětí. Nakonec provedeme za pomoci kulového jiskřiště ocejchování
primárního voltmetru, který je připojen na primární straně zkušebního transformátoru.
3.1.1 Zadání
1. Kulovým jiskřištěm zkontrolujte přesnost měřicího zařízení.
2. Zkontrolujte, zda zkušební zařízení dodává napětí se sinusovým časovým průběhem.
3. Ocejchujte primární voltmetr měřicím kulovým jiskřištěm.
3.1.2 Rozbor úlohy
Zkušebním zařízením pro zkoušky střídavým napětím je obvykle transformátor
napájený synchronním generátorem, regulačním transformátorem nebo indukčním
regulátorem. Pokud není kmitočet zkušebního napětí zvlášť předepsán, vyhovují kmitočty v
rozsahu 40 Hz až 62 Hz. Výkon zkušebního zařízení má být takový, aby nebylo při zkouškách
tepelně přetíženo, aby se dodržel předepsaný tvar křivky napětí a předepsaná hodnota proudu
nakrátko.
Většinou postačuje proud nakrátko alespoň 1 A. Zkoušky předmětů s velkými
povrchovými proudy (např. znečištěných izolátorů) však vyžadují proudy podstatně větší. Při
některých měřeních je nutné co nejvíc omezit proud při náhodném průrazu zkoušeného
předmětu, aby se nepoškodilo připojené měřicí zařízení. Použije se vysokoohmových
ochranných rezistorů, které nemají způsobit úbytek napětí vyšší než 10 %.
Zkušební zařízení má dodávat i při zatížení zkoušeným předmětem napětí s prakticky
sinusovým průběhem a shodnými půlvlnami. Časový průběh vyhovuje, jestliže zkreslení
křivky napětí neodporuje jedné z těchto podmínek:
- poměr vrcholové a efektivní hodnoty se neliší od 2 o více než 5 %,
- efektivní hodnota obsahu vyšších harmonických nepřekračuje 5 % efektivní hodnoty
zkušebního napětí.
Napětí lze měřit některým z osvědčených způsobů, které jsou:
- Měřicí transformátor s měřicím přístrojem. Primární vinutí měřicího transformátoru
napětí se připojí přímo na body, mezi nimiž se měří napětí, na sekundární vinutí se
připojí voltmetr nebo jiný měřící přístroj.
- Dělič napětí s měřícím přístrojem. Na nízkonapěťovou část děliče, obvykle
kapacitního, se připojí voltmetr nebo jiný měřicí přístroj.
- Měřící přístroj v sérii s rezistorem. Ampérmetr se zapojí do série s rezistorem.
Vysoké napětí a elektrické přístroje 25
- Přístroj měřící usměrněný proud, tekoucí kondenzátorem. Proud protékající
kondenzátorem připojeným do bodů, mezi nimiž se měří napětí, se usměrňuje a měří
ampérmetrem udávajícím střední hodnotu.
- Elektrostatický voltmetr. Připojuje se do bodů, mezi nimiž se měří napětí. a udává
efektivní hodnotu.
Zařízení, měřící osvědčeným způsobem, musí měřit vrcholovou (efektivní) hodnotu s
chybou nepřevyšující 3 %. Měřicí přístroje užívané v měřicím zařízení mají mít třídu
přesnosti alespoň 1,0.
Každé měřicí zařízení se musí podrobit ověřovacím zkouškám. Zápis o těchto
zkouškách, které se zpravidla dělají jen jednou, má být k dispozici u uživatele měřícího
zařízení. Všechna měřicí zařízení se však musí pravidelně ověřovat, např. kontrolou
předepsanou před každou zkouškou.
Měřící kulové jiskřiště se užívá k měření anebo cejchování přístrojů a zařízení měřících
napětí. Je vytvořeno ze dvou koulí stejného průměru d a pravidelného povrchu, jenž musí být
zcela hladký, čistý, suchý, ne však leštěný nebo lakovaný. Koule jsou uspořádány buď svisle
(svislá jiskřiště) anebo vodorovně (vodorovná jiskřiště). Jiskřiště se má používat nad
vodorovnou uzemněnou rovinou. Minimální vzdálenost od této roviny, jakož i vzdálenosti od
okolních předmětů jsou uvedeny v normě.
Jiskřištěm se měří vrcholová hodnota napětí střídavého, vrcholová hodnota napětí
impulsního a nejvyšší hodnota napětí stejnosměrného a to tak, že napětí se odvozuje z
doskoku koulí (tj. z jejich vzdálenosti) a stanoví se podle tabulek uvedených v normě.
Přeskokové napětí jiskřiště je ovlivněno ionizací v prostoru mezi koulemi. Je proto nutné
prostor uměle ionizovat radioaktivní látkou nebo rtuťovou výbojkou při měření napětí nižších
než 50 kV vrcholové hodnoty jiskřištěm s koulemi jakéhokoliv průměru a při měření napětí
jakékoliv hodnoty koulemi o průměru 12,5 cm nebo menším.
Dbá-li se ustanoveni uvedených v normě, lze se zaručenou přesností ± 3 % měřit
střídavá a impulsní napětí, jež odpovídají doskoku koulí v mezích od 0,05.d do 0,5.d.
Stejnosměrná napětí lze měřit se zaručenou přesností ± 5 % v bezprašném prostředí při
doskocích do 0,4.d.
Jedna z koulí má být přímo uzemněna. Aby se zamezilo na jiskřišti vysokofrekvenčním
kmitům, jež by mohly být příčinou nenormálních přeskoků a aby se omezil proud při
přeskoku a tím poškozování koulí, řadí se do přívodu vysokého napětí předřadný rezistor RP,
jenž musí být neinduktivní. Předřadný rezistor má být co nejblíže u jiskřiště a nemá se
zařazovat do společného přívodu ze zdroje napětí k jiskřišti a ke zkoušenému předmětu.
Velikost předřadného rezistoru vyplývá z požadavku, aby kapacitní proud tekoucí
jiskřištěm nezpůsobil na rezistoru úbytek napětí, který by zvětšil chybu měření o více než l %.
Při měření napětí střídavých s kmitočtem 40 Hz až 62 Hz a napětí stejnosměrných má mít
předřadný rezistor rezistanci od 100 kΩ do 1 MΩ. Je-li kmitočet vyšší, snižuje se hodnota
rezistance úměrně s kmitočtem. Při měření napětí impulsních se užívá předřadných rezistorů
pouze tehdy, jestliže je přívod k jiskřišti dlouhý, takže by na něm mohly vzniknout volné
kmity. Hodnota rezistance se volí blízká vlnové impedanci přívodu, ne však větši než 500 Ω,
a indukčnost přívodu má být menši než 30 µH.
3.1.3 Postup měření
Schéma zapojení pro všechny tři body zadání uvádí Obrázek 3.1.
26 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Obrázek 3.1: Schéma zapojení úlohy 3.1

1. Kontrola přesnosti měřícího zařízení.
Měřícím zařízením je v našem případě dělič napětí, jehož vysokonapěťovou částí je
kondenzátor CM a nízkonapěťová část obsahuje vrcholový voltmetr SM 615. Přesnost
měřícího zařízení se před zkouškou kontroluje kulovým jiskřištěm při napětí, pokud
možno blízkém napětí zkušebnímu a ne menším než 60 % napětí zkušebního. Při této
kontrole nemusí být zkoušený předmět připojen. Nepřesahuje-li rozdíl vrcholové
hodnoty údaje měřicího zařízení a napětí určeného kulovým jiskřištěm 3 %, lze užít
údajů měřicího zařízení bez jakékoliv korekce.
Kontrolu provedeme při napětí 75 % a 90 % napětí zkušebního (podle údajů o
zkoušeném předmětu).
2. Kontrola časového průběhu napětí.
Měření se provede opět při 75 % a 90 % napětí zkušebního. Zkoušený předmět musí být
připojen. Vrcholovým voltmetrem SM 615 změříme vrcholovou hodnotu napětí U
2m
a
elektrostatickým voltmetrem EV změříme efektivní hodnotu U
2
. Časový průběh
vyhovuje, neliší-li se poměr vrcholové hodnoty a efektivní hodnoty od 2 o více než
± 5 %, tj.
2.05,12.95,0
2
2
≤≤
U
U
m

3. Cejchování primárního voltmetru.
Pomocí měřicího kulového jiskřiště MJ ocejchujeme voltmetr V zapojený na primární
straně zkušebního transformátoru.
Aby se snížilo kapacitní zatížení zdroje a omezily odrazy vln, umístíme jiskřiště co
nejblíže u zdroje napětí, koule očistíme od nečistot, prachu a mastnoty a zkontrolujeme
nulovou polohu. Nastavíme zvolený doskok s a z tabulky v normě odečteme příslušné
přeskokové napětí U
o
, které musíme korigovat korekčním faktorem K
t
na referenční
standardní atmosféru. Přeskokové napětí je pak U
2m
= K
t
.U
o
.
Vysoké napětí a elektrické přístroje 27
Pak připojíme napětí (naráz můžeme připojit napětí až o velikosti 50 % očekávaného
přeskokového napětí) a rovnoměrně ho zvyšujeme tak zvolna, aby bylo možné přesně
odečíst hodnotu napětí U
1
na voltmetru V v okamžiku přeskoku na jiskřišti.
Neméně přesně můžeme postupovat tak, že oddálíme koule na jiskřišti dostatečně
daleko, pak nastavíme určitou hodnotu napětí U
1
a zvolna snižujeme vzdálenost mezi
koulemi až do přeskoku. V tom okamžiku odečteme doskok a z tabulky v normě
zjistíme příslušné přeskokové napětí U
o
, které opět korigujeme atmosférickým
korekčním faktorem K
t
. Získáme tak napětí U
2m
odpovídající standardním
atmosférickým podmínkám.
Postup opakujeme s intervalem alespoň 15 sekund mezi přeskoky, až získáme tři údaje
následující po sobě, jejichž krajní hodnoty se liší o méně než 3 %.
Aritmetický průměr těchto tří hodnot se považuje za údaj odpovídající přeskokovému
napětí jiskřiště.
Podle velikosti cejchovaného rozsahu zvolíme několik hodnot doskoku a popsaným
postupem zjistíme odpovídající údaje napětí U
1
cejchovaného voltmetru V. Do grafu
vyneseme závislost U
2m
= f(U
1
), kterou nazýváme cejchovní křivkou.

Shrnutí
Uveďte výsledky úkolů 1. a 2. zadání včetně všech naměřených hodnot. Vyhodnoťte, zda
zařízení splňuje požadavky stanovené normou. Výsledky úkolu 3. zpracujte tabelárně i
graficky. Přeskoková napětí MJ odečtěte z tabulek v normě. Uveďte výpočet
atmosférického korekčního faktoru K
t
.
28 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
3.2 Měření vysokého stejnosměrného napětí
Vysoké stejnosměrné napětí obvykle získáváme usměrněním střídavého proudu a
následným vyhlazením pomocí kondenzátoru. V této úloze nejprve vyhodnotíme vlnitost
měřeného proudu a napětí. Poté posoudíme přesnost měření měřícího přístroje GM 700
pomocí měřícího jiskřiště. Ověříme také přesnost tohoto přístroje při měření
stejnosměrných napětí různého zvlnění.
3.2.1 Úkol
1. Stanovte měřením hodnotu vlnivosti ξ měřeného proudu a napětí podle daného schématu
zapojení.
2. Proveďte srovnání naměřených stejnosměrných napětí pomocí měřícího jiskřiště MJ a
měřicího přístroje GM 700.
3. Proveďte měření stejnosměrného vysokého napětí různého zvlnění pro vyhlazovací
kondenzátory CR a CZ.
3.2.2 Rozbor úlohy
Zdroje vysokého stejnosměrného napětí nám v technice vysokého napětí slouží jednak
jako zkušební zdroje (vn izolací, kabelů, kondenzátorů atd.), jednak jako napájecí zdroje
jiných zkušebních zařízení, jako jsou např. generátory impulsního napětí a proudu, rentgeny
apod. Ve fyzikálních laboratořích se pak používá zdrojů velmi vysokých stejnosměrných
napětí (např. stejnosměrných kaskádních generátorů, elektrostatických generátorů atd.) pro
napájení zařízení na urychlování částic.
V průmyslové aplikaci se stejnosměrných zdrojů používá pro pohony elektrických
stejnosměrných motorů (válcovny, elektrické lokomotivy), pro elektrolýzu, nabíjení
akumulátorů, obloukové svářečky, napájení elektrostatických odlučovačů a pro přenos
elektrické energie stejnosměrným proudem na hladině zvlášť vysokého napětí (zvn).
Stejnosměrná napětí se zatím v technické praxi získávají nejčastěji pomocí usměrnění
proudu střídavého, přitom zařízení usměrňovací techniky může být v provozu použito v
zapojení jednofázovém nebo mnohofázovém.
K usměrnění střídavého elektrického proudu lze použit celou řadu zařízení -
usměrňovačů, které se od sebe zásadně odlišují ve fyzikálním principu, na jehož základě je
usměrňování uskutečňováno. Střídavý proud lze tedy usměrňovat:
- přestupem elektronů ve vakuu ze žhavené katody na anodu. V tomto případě jde o
vakuové diody - kenotrony, vhodné pro usměrňování malých proudů při vysokém
napětí.
- průchodem elektronů a iontů v ionizované rtuťové páře se žhavenou katodou -
tyratrony. Jejich základní vlastností je řiditelnost okamžiku propustnosti proudu.
- průchodem elektronů a iontů v ionizované rtuťové páře se rtuťovou katodou, která je
studená; v tomto případě mluvíme o rtuťových usměrňovačích. Základem usměrňováni
je nízkotlaký elektrický oblouk, jehož okamžik zapálení je možno taktéž řídit.
- synchronně zapalovaným vysokotlakým obloukem, tzv. Marxův usměrňovač, který byl
vyvinut pro usměrňování velkých proudů při vysokých napětích.
- mechanickým synchronním přerušováním obvodu, které je trojího druhu: vibrační - pro
malé proudy i napětí, kontaktní - pro velké proudy a malá napětí a rotační - pro malé
proudy a vysoká napětí.
Vysoké napětí a elektrické přístroje 29
- usměrňovacím účinkem styku polykrystalického polovodiče s kovem. Jedná se o
usměrňovače kuproxidové a selénové, které se při vhodném zapojení používají pro
malé proudy a vysoká napětí.
- usměrňovacím účinkem přechodu P-N v polovodičovém monokrystalu. Zde se jedná o
usměrňovací ventily germaniové, křemíkové diody a tyristory.
V minulostí se nejčastěji pro vn a vvn používalo usměrňovacích ventilů - kenotronů,
nebo mechanických rotačních usměrňovačů. V současné době se však pro usměrňovací
zařízení používá usměrňovacích prvků polovodičových, které v porovnání s kenotrony mají
mnohé přednosti, jako např. větší účinnost, menší rozměry, nevyžadují napájení pro žhavení
katody a jsou s nimi v provozu mnohem menší obtíže a starosti.
Požadavky na zkušební stejnosměrná vysokonapěťová zařízení velmi závisí na
zkoušeném předmětu a na velikosti a průběhu proudu, který má dodávat. Jmenovitý proud a
kapacita