Измерения при высоких напряжениях

В установках высокого напряжения достаточная точность измерений обеспечивается применением специальных методов, эффективность которых проверена многочисленными экспериментальными исследованиями. Точность измерений зависит также и от технической квалификации персонала. При высоковольтных испытаниях наиболее часто применяются следующие измерительные устройства:

1) пик-вольтметры;

2) шаровые разрядники;

3) электростатические вольтметры высокого напряжения;

4) электростатические вольтметры и измерительные устройства низкого

напряжения в сочетании с делителями напряжения.

Для измерения пульсирующего, переменного и импульсного напряжений применяют приборы с различными схемами включения конденсаторов и выпрямителей. Простейшим примером такого прибора является пик-вольтметр (рис.10.15).

Рис.6.15. Принципиальная схема пик-вольтметра с вольтметром V (а) и с баллистическим гальванометром G (б).

При воздействии на пик-вольтметр импульса напряжения конденсатор С заряжается до амплитудного значения напряжения на входе. Величина этого напряжения затем измеряется с помощью вольтметра V с большим входным сопротивлением или баллистическим гальванометром G. Зная количество электричества Q , измеренное баллистическим гальванометром, определяют амплитуду импульса:

Для расширения диапазона измеряемых напряжений применяют пик-вольтметры с делителем напряжения (рис.10.16). Амплитуда импульса определяется в этом случае из соотношения:

,

откуда

.

Сущность измерения высокого напряжения с помощью шарового разрядника заключается в том, что разряд в слабонеоднородном поле между двумя шаровыми электродами в воздухе возникает при определенном напряжении с малым разбросом и малым запаздыванием.

Разрядное напряжение при заданном диаметре шаров и способе их включения линейно зависит от расстояния между шарами. С помощью шарового разрядника измеряется амплитудное значение высокого напряжения.

Величины разрядных напряжений приведены в специальных таблицах, составленных на основании результатов обработки экспериментальных данных многих лабораторий мира. В табл.10.1 приведены значения пробивных напряжений для шаровых разрядников при разных значениях диаметра шаров и расстояниях между ними.

Таблица 10.1

Пробивные напряжения U_прн шаровых разрядников

при заземлении одного из шаров.

В таблице даны математические ожидания амплитудных значений пробивных напряжений переменного тока полных стандартных волн отрицательной полярности и для напряжений постоянного тока обоих полярностей.

Разрядное напряжение зависит от давления, температуры и влажности. В стандартных таблицах приводятся пробивные напряжения U_прн , соответствующие нормальному давлению 760 мм.рт.ст. (100 кПа) и нормальной температуре 20^оС. Если давление р и температура t отличаются от нормальных, то величина пробивного напряжения U_пр определяется по формуле:

,

где поправка на давление и температуру.

Формулой можно пользоваться, если величина s колеблется в пределах 0,95-1,05. Влияние влажности в обычных условиях незначительно, поэтому ее не учитывают.

Для расстояний d между шарами до 0,5d (где D – диаметр шара) таблица дает значение разрядного напряжения с погрешностью, не превышающей ± 3 % , а для расстояний от 0,5D до 0,75D с большей погрешностью. При расстояниях больших 0,75D измерения шарами производить не рекомендуется. Таким образом при измерениях должно выполняться неравенство:

.

Для предохранения поверхности шаров от оплавления и эрозии, а также для подавления высокочастотных колебаний при пробоях, последовательно с шаровым разрядником необходимо включать добавочное сопротивление величиной 0,1 – 1,0 МОм.

Широкое применение шаровых разрядников для измерения высоких напряжений объясняется простотой их устройства и приемлемой для практики точностью. Однако точность измерения ± 3 % возможна только при строго сферической поверхности электродов. Диаметр шаров не должен отличаться от стандартного более чем на ± 0,1 % . Поверхности шаров должны быть полированные, сухие и чистые.

При измерении импульсных напряжений следует учитывать влияние на точность измерения длительности импульса воздействующего напряжения, крутизны его фронта и полярности.

Электростатические вольтметры используются для измерения действующих значений установившихся постоянных или периодически изменяющихся напряжений. Принцип действия электростатических вольтметров основан на использовании силы взаимодействия между двумя электродами в электрическом поле измеряемого напряжения. Для измерения широко используются вольтметр С-96 (для напряжений до 30 кВ) и С-100 (для напряжений до 75 кВ), имеющие погрешность не более 1,5 % . Для расширения диапазона измеряемых напряжений электростатических вольтметров и для возможности оценки измеряемых величин с помощью осциллографирования используют делители напряжения. Делители напряжения позволяют с помощью низковольтных измерительных устройств (вольтметров, осциллографов и др.) фиксировать практически неограниченные по амплитуде постоянные, переменные и импульсные напряжения (рис.6.17). Ту часть делителя, парал

лельно которой включается измерительный прибор ИП принято считать низковольтным плечом делителя. Остальную часть называют высоковольтным плечом делителя. Отношение напряжения на входе делителя U₁ , к напряжению на измерительном приборе U₂ называется коэффициентом деления делителя.

Для обеспечения фиксации исследуемого процесса в высоковольтных установках без искажения делители напряжения должны удовлетворять следующим условиям:

1) при подключении к исследуемой схеме не оказывать влияния на амплитуду и форму измеряемого напряжения;

2) иметь коэффициент давления , не зависящий от частоты и амплитуды измеряемого напряжения в рабочем интервале изменения этих величин, а также от изменения внешних атмосферных условий;

3) на элементах делителя не должна возникать корона, а токи утечки через изоляцию должны быть значительно меньше рабочего тока в цепи самого делителя.

Делители напряжения выполняют активными, емкостными и комбинированными (рис.10.18). Для измерения выпрямленного или переменного напряжения промышленной частоты с успехом можно применять активные делители, изготовленные из проволочных или непроволочных резисторов. Для проволочных резисторов используют нихром, константан, манганин. Обязательным условием изготовления проволочных активных делителей напряжения является бифилярная намотка проволоки с целью уменьшения индуктивности делителя.

Для снижения погрешности в коэффициенте деления, вызываемой утечками по изоляции и короной, сопротивление активного делителя принимается таким, чтобы протекающий через него ток был в пределах 1-10 мА. В тех случаях, когда не требуется большая точность измерения, для изготовления активных делителей напряжения применяются непроволочные резисторы композиционного типа. На переменном токе погрешность измерения в случае применения активных делителей резко возрастает из-за влияния паразитных емкостей.

Для измерения высоких напряжений промышленной частоты более часто используют емкостные делители, которые по сравнению с активными имеют меньшие размеры и стоимость. Важным достоинством емкостных делителей является незначительное влияние на их коэффициент деления паразитных емкостей и ничтожное потребление активной энергии. В емкостных делителях наиболее часто используются конденсаторы с керамическими диэлектриками, имеющими ничтожную индуктивность и высокую электрическую прочность, например керамические конденсаторы К15У.

Для фиксации импульсных напряжений могут быть использованы делители всех типов, однако при использовании активных делителей погрешность измерения, обусловленная индуктивностью резисторов и паразитных емкостей, обычно выше. Для уменьшения влияния паразитных емкостей на коэффициент деления делителя применяют экранные электроды, способствующие уменьшению емкостных токов в его цепи. Обычно для этой цели применяют кольцевой электрод, помещенный немного ниже высоковольтного ввода делителя и соединенный с ним несколькими радиальными проводниками. Активный делитель с таким экраном позволяет регистрировать с погрешностью 2-3 % срезанную волну напряжения длительностью менее 1 мкс.

При использовании комбинированных делителей напряжения с целью неизменного коэффициента деления на разных частотах должно соблюдаться равенство постоянных времени для каждого из последовательно включенных элементов t₁ = R₁C₁ = t₂ = R₂C₂ = t₃ = R₃C₃ и т.д. Чтобы уменьшение диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсаторов на высоких частотах не вызывало погрешности в измерении, делители следует комплектовать конденсаторами с одинаковым типом изоляции.

Анализ процессов в делителях напряжения производится с помощью того же математического аппарата, что и при анализе процессов в линиях с распределенными параметрами.

При испытаниях часто по условиям работы осциллограф приходится располагать вдали от высоковольтного делителя напряжения. В этих случаях напряжение от низковольтного плеча делителя к осциллографу подводится экранированным кабелем. Подключение к делителю кабеля, обладающего заметной емкостью и появление отражений импульса в конце кабеля вызывают неизбежное искажение регистрируемого явления. В этом случае для сведения искажений к минимуму рекомендуется схема, показанная на рис.10.20. Для того, чтобы отраженные сигналы отсутствовали, кабель на приемном конце нагружается на сопротивление r₁ , равное волновому сопротивлению кабеля:

.

В этом случае создается режим согласованной нагрузки. Сопротивление r₂ служит для успокоения колебаний в цепи пластин осциллографа.