Измерение высоких постоянных напряжений

Для измерения высоких постоянных напряжений используется три основных метода: измерение с помощью измерительного шарового разрядника, измерение электростатическим вольтметром и измерение с помощью добавочных резисторов.

Измерительный шаровой разрядник представляет собой два металлических шара с хорошо обработанными поверхностями и с возможностью изменения расстояния между шарами. Этот разрядник считается очень надежным прибором для измерения постоянного напряжения, а также для измерения амплитуды переменного и импульсного напряжений.

Разброс разрядных напряжений шарового разрядника не превышает , и при соблюдении условий измерения напряжения такова же и погрешность измерения напряжения.

Возможность измерения основана на законе Пашена, который связывает пробивное напряжение промежутка с расстоянием между поверхностями шаров. Зависимости пробивных напряжений от расстояния для шаров разных диаметров приведены в специальных таблицах, полученных путем тщательной обработки многочисленных экспериментальных данных.

Таблицы составлены для давления воздуха 760 мм рт.ст. и температуры 20^оС. При других атмосферных условиях требуется корректировка табличного значения пробивного напряжения на относительную плотность воздуха.

Для защиты поверхности шаров от оплавления при пробое последовательно с разрядником устанавливается резистор сопротивлением, выбираемым из соотношения 1..10 Ом/В.

Если по шаровому разряднику градуируется другой измерительный прибор (электростатический киловольтметр или система с добавочным резистором), то расстояние между шарами выставляется на напряжение, на которое рассчитывается градуируемое устройство и напряжение медленно повышается до пробоя шарового разрядника.

Если проводятся измерения самим разрядником, то шары медленно сближаются до пробоя. По таблице для данного диаметра шаров из расстояния определяют разрядное напряжение, которое умножают на поправочный коэффициент, равный относительной плотности воздуха

,

если последняя отличается от единицы не более чем на 10% (то есть искомое пробивное напряжение равно табличному значению, умноженному на относительную плотность воздуха).

Электростатический вольтметр представляет собой конденсатор, одна из пластин которого подвижна и закреплена на пружине. Сила взаимодействия пластин определяется согласно закону Кулона произведением их зарядов, то есть , где q - заряд одной из пластин, k - коэффициент пропорциональности, зависящий от расстояния между электродами.

Поскольку , где C - емкость конденсатора, U - напряжение между пластинами, то и отклонение подвижной пластины, пропорциональное действующей силе, зависит от квадрата измеряемого напряжения. Шкала такого киловольтметра квадратична.

Из высоковольтных электростатических киловольтметров распространен настольный прибор С-100, имеющий три предела измерения 25, 50, 75 кВ со входной емкостью в пределах 5..50 пФ и сопротивлением утечки порядка 10¹⁵ Ом. Киловольтметр С-96 позволяет измерять напряжения до 30 кВ, а киловольтметр С-101, представляющий собой напольную конструкцию достаточно больших размеров, - до 300 кВ.

Измерение высокого постоянного напряжения проще всего проводить с помощью магнитоэлектрического измерительного механизма, включенного последовательно с высоковольтным добавочным резистором с большим сопротивлением (рис. 11.1).

Магнитоэлектрический механизм обладает высокой чувствительностью среди измерительных механизмов электромагнитного плана, что позволяет ограничиться очень небольшими токами в измерительной цепи.

Рис. 11.1. Схема измерения высокого напряжения магнитоэлектрическим прибором с добавочным резистором

Добавочный резистор R_д рассчитан на полное измеряемое напряжение и обычно выполняется в виде цепочки последовательно соединенных резисторов с углеродистым или металлическим полупроводящим слоем.

Сопротивление добавочного резистора выбирается не менее чем 1 МОм/кВ (ток менее 1 мА), чтобы обеспечить небольшое тепловыделение. Из-за возникновения токов утечки по поверхностям резисторов ограничивают сопротивление сверху, не более 10 МОм/кВ (ток 0.1 мА).

При напряжениях выше 100 кВ цепочку резисторов располагают по спирали и помещают в изоляционный цилиндр с маслом или элегазом.

Масляная изоляция улучшает теплоотвод, а масло или элегаз позволяют увеличить допустимые напряжения на каждом резисторе цепочки. Величина измеряемого напряжения определяется протекающим током и сопротивлением резисторов, .

11.2. Измерение высоких переменных напряжений

Измерительный шаровой разрядник является универсальным измерительным прибором, пригодным и для измерения амплитуды переменного напряжения. Методика измерений остается такой же, как и для случая измерения высокого постоянного напряжения.

Электростатический вольтметр принципиально пригоден для измерения эффективного значения переменного напряжения. Сила взаимодействия пластин электростатического вольтметра в данном случае периодически меняется во времени, а отклонение подвижной пластины из-за ее инерционности определяется средним за период значением силы, , то есть среднеквадратичным значением мгновенного напряжения, которое по определению является эффективным значением напряжения.

Частотный диапазон электростатического киловольтметра ограничен только паразитными индуктивностями; так, для киловольтметра С-100 верхняя граничная частота составляет 10 МГц.

Емкостные делители напряжения позволяют измерять высокие переменные напряжения с помощью низковольтных вольтметров, обеспечивая точное повторение формы высокого напряжения на низковольтном выходе. Последнее требование важно в случае контроля гармонического состава переменного напряжения.

Омические делители на основе резисторов на переменном напряжении не пригодны ввиду наличия паразитных емкостей, что требует применения резисторов со сравнительно небольшим сопротивлением и большой рассеиваемой мощностью; индуктивные делители обладают нелинейностью параметров и паразитными емкостными и омическими свойствами.

Емкостный делитель имеет высоковольтное плечо C1 (рис. 11.2) и низковольтное плечо C2. Емкость высоковольтного плеча много меньше емкости низковольтного плеча, и практически все высокое напряжение приходится на высоковольтное плечо, которое часто выполняют последовательным соединением нескольких конденсаторов. Входное и выходное напряжения делителя связаны друг с другом коэффициентом деления делителя .

Рис. 11.2. Схема емкостного делителя

Делитель напряжения должен удовлетворять трем основным требованиям:

- выполнение изоляции делителя таким образом, чтобы отсутствовали частичные разряды, искажающие - форму кривой измеряемого напряжения;

- точное совпадение форм кривых входного и выходного напряжений;

- малая загрузка измеряемых цепей.

- Первое требование приводит к тому, что высота делителя напряжения (не только емкостного, но и омического делителя) составляет обычно 2.5 м/МВ для постоянных напряжений и грозовых импульсов и около 5 м/МВ (эффективное значение) для переменного напряжения.

Искажение формы выходного напряжения (или зависимость коэффициента деления от частоты) возникает из-за ограничения частотного диапазона работы конденсаторов делителя, из-за влияния паразитных индуктивностей схемы и из-за подключения входного сопротивления вольтметра.

Для снижения влияния последнего фактора необходимо соблюдать условие на нижней границе частотного диапазона работы делителя.

Малая загрузка измеряемых цепей создается при малой емкости высоковольтного плеча делителя, однако при слишком малых емкостях становится заметным влияние окружающих предметов на коэффициент деления. Практически при достаточно большой высоте делителя удельная емкость высоковольтного плеча должна быть не менее 30-50 пФ/м.

Рис. 11.3. Схема измерения амплитудного значения и кривые тока и напряжения

Для измерения амплитудного значения переменного напряжения может быть использована простая схема рис. 11.3. Микроамперметр PA магнитоэлектрического типа реагирует на среднее за период значение тока, протекающего через него в течение положительного полупериода:

,

так что амплитуда напряжения равна .

Второй вентиль VD2 обеспечивает протекание тока в отрицательный полупериод, что предотвращает накопление заряда на конденсаторе.

Эта схема пригодна только в случае, если в течение каждого полупериода напряжения имеется не более одного максимума.

В условиях эксплуатации наиболее распространенным методом измерения напряжения является применение низковольтных вольтметров с трансформаторами напряжения.

При соблюдении условий загрузки трансформаторов напряжения этот метод обеспечивает высокую точность измерений, однако несинусоидальность напряжения приводит к достаточно большим погрешностям.

Некоторые типы трансформаторов напряжения вносят большие искажения уже в третью гармонику (например, трансформатор ЗНОМ-35), хотя есть сообщения о нормальном преобразовании частот трансформаторами напряжения вплоть до 1 кГц.

В испытательных установках переменного напряжения измерения высокого напряжения производятся путем измерения напряжения первичной обмотки испытательного трансформатора с пересчетом по коэффициенту трансформации.

Этот метод измерения может приводить к большим погрешностям в связи с наличием индуктивности рассеяния трансформатора.

Рис. 11.4. Т-образная схема замещения трансформатора с емкостной нагрузкой

Поскольку объект испытаний представляет собой емкостную нагрузку с высокой добротностью, то вместе с индуктивностью рассеяния образуется последовательный колебательный контур (рис. 11.4). При достаточно большой емкости испытуемого объекта напряжение на нем может быть существенно выше рассчитанного по коэффициенту трансформации.

Несколько меньшие погрешности получаются при подключении низковольтного вольтметра к отводу высоковольтной обмотки, однако для исключения резонансных эффектов рекомендуется измерять непосредственно высокое напряжение.

11.3. Измерение высоких импульсных напряжений

Измерительный шаровой разрядник пригоден и для измерения максимального значения напряжения стандартного грозового импульса. При измерении амплитуды импульса подбирают такое расстояние между шарами разрядника, при котором из десяти поданных импульсов пять закончатся пробоем, а оставшиеся пять - нет.

Пробивное напряжение, определяемое по такому расстоянию с учетом поправки на относительную плотность воздуха (пятидесятипроцентное пробивное напряжение), соответствует амплитуде импульса с погрешностью в . Разряд между шарами в этом случае происходит вблизи максимального значения напряжения импульса.

Сопротивление резистора, включенного последовательно с разрядником, не должно превышать 500 Ом, так как при больших его значениях возникают недопустимые погрешности измерения из-за падения напряжения за счет емкостного тока разрядника до его пробоя.

При проведении измерений расстояние между шарами изменяется ступенями, составляющими 2..5% от ожидаемого пробивного расстояния. На каждой ступени к объекту прикладывается не менее 10 импульсов с интервалами не менее 5 с.

Пятидесятипроцентное напряжение определяется путем интерполяции результатов, полученных на двух или более расстояниях. С меньшей точностью можно допустить подбор расстояния, при котором происходит от четырех до шести пробоев разрядника из десяти одинаковых приложенных импульсов.

Другим способом измерения импульсных напряжений является применение делителей напряжения с низковольтным импульсным вольтметром или осциллографом. Делитель напряжения может быть омическим, емкостным или емкостно-омическим. Основной характеристикой делителя является коэффициент деления , где Z₁ иZ₂ - полные сопротивления высоковольтного и низковольтного плеч делителя. Другой важной характеристикой делителя является частотная характеристика, представляющая собой зависимость коэффициента деления от частоты.

Омические делители напряжения изготовляют из нихромовой или константановой проволоки, наматываемой для снижения индуктивности бифилярно (то есть двумя встречными параллельно включенными катушками) на изоляционный каркас.

Применение жидкостных или объемных угольных резисторов ограничено в связи с зависимостью их сопротивлений от температуры и приложенного напряжения. С целью повышения начального напряжения короны и улучшения охлаждения резисторы помещают в изоляционные цилиндры с маслом.

Паразитные индуктивности делителя и паразитные емкости элементов делителя по отношению к заземленным частям приводят к искажению формы выходного импульса по отношению к входному напряжению, и наибольшие искажения имеют место на фронте импульса (увеличение длительности фронта).

С увеличением сопротивления делителя искажения возрастают, однако сильно снижать сопротивление делителя нельзя из-за влияния делителя на параметры импульса. Типичными значениями сопротивления делителя является 10..20 кОм. Искажения можно уменьшить также с помощью экранирования омических делителей.

Наиболее эффективным является применение кольцевого экрана, надвинутого на высоковольтный конец делителя.

Для снижения влияния паразитных емкостей и входных емкостей низковольтного оборудования (которое обычно подключается с помощью экранированного кабеля) применяют емкостно-омический делитель напряжения (рис. 11.5).

Чтобы коэффициент деления не зависел от частоты, требуется выполнение условия , которое может быть нарушено влиянием измерительных цепей низковольтного плеча.

Рис. 11.5. Емкостно-омический делитель напряжения

Емкостный делитель напряжения практически не приводит к искажению измеряемого импульса напряжения (рис. 11.6). Чтобы избежать распространения отраженных волн в кабеле, соединяющем делитель с осциллографом, последовательно с жилой у выхода делителя включается резистор Rc, сопротивление которого равно волновому сопротивлению кабеля.

Рис. 11.6. Емкостный делитель напряжения

Схема рис. 11.6 обеспечивает согласование делителя с кабелем, если емкость кабеля много меньше емкости низковольтного плеча делителя C2; в противном случае требуется более сложные схемы согласования.

РЕЗЮМЕ

Наиболее распространенными средствами измерения высоких постоянных напряжений являются шаровые разрядники, электростатические вольтметры и добавочные резисторы.

На высоком переменном напряжении для измерений применяются шаровые разрядники, электростатические вольтметры, емкостные делители напряжений, трансформаторы напряжения с низковольтными вольтметрами и низковольтные вольтметры в первичных обмотках повышающих трансформаторов.

Для измерения импульсных напряжений используют шаровые разрядники и делители напряжения.

Контрольные вопросы

1. Какие средства используют для измерения высоких постоянных напряжений?

2. Какие средства используют для измерения высоких переменных напряжений?

3. Какие средства используют для измерения высоких импульсных напряжений?

4. На чем основан принцип действия измерительного шарового разрядника?

Э

5. Можно ли использовать трансформаторы напряжения для контроля высших гармоник переменного напряжения?