Усачев А.Е. Испытательные и электрофизические установки высокого напряжения

Подождите немного. Документ загружается.

Электрод высокого напряжения (2) притягивает измерительный

электрод (1), подвешенный к коромыслу (3). Коромысло, двигаясь по часовой

стрелке, контактором (5) замыкает цепь измерительного прибора (7),

который показывает наличие тока через коромысло. К противоположному

концу коромысла подвешивается платформа с грузами (а) или подвижная

катушка с током (б). Изменяя количество груза, можно уравновесить

коромысло. При изменении величины протекающего тока через подвижную

и неподвижную части катушек (б) изменяется действующая на коромысло

сила. Величина тока через амперметр (А) пропорциональна этой силе, т.е.

силе притяжения измерительного электрода к электроду высокого

напряжения. Контактор (5) в уравновешенном состоянии размыкает цепочку

тока в цепи коромысла, а прибор (7) показывает нуль тока. Величина груза

(значение тока через катушки) пропорциональна напряженности

электрического поля в месте расположения измерительного электрода и

величине напряжения на электроде (2). Вольтметр имеет защитное кольцо

(4). В современных электростатических киловольтметрах типа С 96, С 196 и

других вместо коромысла используют подвижный электрод 5 на нити 4 с

укреплённым на ней зеркальцем 6 (рис.5.2). Внешний вид киловольтметра

С 196 показан на рис.5.3.

101

Приборы этого типа имеют высоковольтный электрод 1, который

может занимать несколько (обычно, три) фиксированных положений с

разными расстояниями L от неподвижного электрода 2. В металлическом

корпусе неподвижного электрода имеется отверстие 3 со шторкой для

проникновения электрического поля внутрь электрода. Внутри электрода 2

на системе креплений 7 закреплена упругая нить 4 (обычно кварцевая). На

нити закреплены неравноплечая металлическая пластина 5 и зеркальце 6.

При открытой шторке электрическое поле проникает внутрь электрода 2

через отверстие 3 и притягивает пластину 5. За счет неравной длины

пластины 5 по отношению к точке подвеса на нити возникает крутящий

момент, и нить закручивается до тех пор, пока этот момент сил не будет

скомпенсирован силами упругости нити. Вместе с нитью вращается

зеркальце 6, на которое падает луч от лампы подсветки 8. Отражаясь от

зеркальца, луч попадает на шкалу прибора 9, которая проградуирована в

киловольтах. В приборе имеется несколько различных переключаемых шкал,

число которых совпадает с числом фиксированных расстояний L электрода 1.

Киловольтметр С-100, например, имеет три предела измерения: 25, 50,

и 75 кВ. Погрешность измерения напряжения не превышает ±1,5%.

Вследствие квадратичной зависимости между усилием, воздействующим на

подвижный электрод электростатического киловольтметра, и измеряемым

102

напряжением, прибор имеет квадратичные шкалы. Входная емкость

киловольтметра находится в пределах 5 ÷ 50 пФ, а сопротивление утечки

составляет величину порядка 10

Ом.

Целый ряд современных приборов по неконтактному измерению

высокого напряжения и напряженности электрического поля основан на

явлении электростатической индукции. Если внести в электрическое поле

некий заземлённый металлический электрод, то на поверхности этого

электрода индуцируется (перетечет с «земли») заряд, поверхностная

плотность которого определяется напряженностью электрического поля у

электрода. Величина индуцированного заряда зависит от размеров электрода.

Если в цепи «земля» - электрод поставить измеритель протекшего заряд (Q-

метр), то его шкалу можно непосредственно проградуировать в единицах

напряженности поля (для переносных приборов) или в единицах напряжения

(для стационарных приборов, с неизменным расстоянием от

высоковольтного электрода, создающего поле). Вместо Q-метров можно

также использовать более дешёвые амперметры для измерения величины

тока электростатической индукции, или вольтметры, для измерения

потенциала измерительного электрода относительно «земли». Недостатком

использования амперметров является то, что индукционный ток не постоянен

во времени, убывает по мере зарядки измерительного электрода и равен

нулю после полной зарядки. Существует, по крайней мере, два способа

устранения этого недостатка. Можно либо непрерывно менять площадь

измерительного электрода, либо расстояние до источника высокого

напряжения. Первый способ реализован в роторных вольтметрах, схема

которого представлена на рис.5.4.

103

В металлическом корпусе прибора расположен электродвигатель (ЭД),

который приводит во вращение два металлических полукруглых электрода S

и S

. Каждый из электродов соединен со своим полукруглым контактом в

щёточном контакторе (К). Щеточные контакты 1 и 2 при вращении вала ЭД

поочерёдно подключаются то к одному электроду, то к другому. Контакт 2

связан с корпусом прибора и заземлён. Контакт 1 замкнут на землю через

регулировочное сопротивление (R) и амперметр (А). Вращающиеся

электроды отделены от окружающей среды экраном (Э) в котором прорезано

полукруглое отверстие (3), которое по размерам совпадает с электродами S

. Переключение в контакторе происходит в момент, когда один из

электродов полностью открыт, а другой полностью закрыт металлическим

экраном. В закрытом состоянии электрод заземлён, его потенциал равен

нулю, а какой-либо заряд на его поверхности отсутствует. Как только часть

электрода появляется в отверстии 3, на нем начинает индуцироваться заряд

(появляется ток через сопротивление R и амперметр). Открытая площадь

электрода постоянно увеличивается до тех пор, пока электрод не займёт все

отверстие 3. Поскольку скорость увеличения поверхности кругового

электрода при постоянной скорости вращения вала постоянна, то через

амперметр течет постоянный ток зарядки электрода. Затем происходит

переключение в контакторе на другой электрод, и процесс зарядки

повторяется для другого электрода. В цепи амперметра протекает

постоянный ток, величина которого зависит от напряженности поля,

104

скорости вращения электродов и сопротивления R. Обычно, в приборах этого

типа имеется несколько переключаемых сопротивлений, рассчитанных на

разные диапазоны напряженностей электрического поля. При определении

напряженности циклически изменяющихся по величине полей в цепи

амперметра протекает переменный ток, который также легко измеряется.

Шкала прибора проградуирована непосредственно в величинах

напряженности электрического поля.

Другой принцип измерения реализован в схеме вибрационного

вольтметра рис.5.5.

Подвижный электрод 2 закреплён на штоке 5. Другой конец штока

закреплён на возвратной пружине 6. При пропускании тока через катушку 4

шток втягивается в катушку, сжимая пружину 6 и увлекая за собой

подвижный электрод. Обратное движение штока с подвижным электродом

обеспечивается пружиной. Вокруг подвижного измерительного электрода

расположен защитный заземлённый электрод 3. Высоковольтный электрод 1

расположен на расстоянии d от электродов и создает у поверхности

измерительного электрода некоторую напряженность электрического поля.

Возвратно- поступательное движение измерительного электрода приводит к

тому, что напряженность поля у его поверхности периодически изменяется

во времени. Индукционный ток, протекающий через регулировочное

сопротивление R и амперметр, также периодически меняется. Величина этого

тока пропорциональна напряженности поля, градиенту напряженности

105

вблизи электрода, площади поверхности электрода 2 и его скорости

движения. Шкала вольтметра градуируется в величинах напряженности

электрического поля.

Лекция 14. Делители напряжения

При проведении высоковольтных испытаний электрооборудования

необходимо проводить измерения непосредственно на стороне высокого

напряжения. Большинство измерительных приборов служат для измерений

напряжений не выше 1000 В. Для измерений более высоких напряжений

необходимо использовать делители напряжения. Различают следующие виды

делителей напряжения:

1. омические делители напряжения, которые, в свою очередь,

подразделяются на высокоомные и низкоомные делители;

2. ёмкостные делители напряжения;

3. демпфированные (ёмкостные) делители напряжения;

4. смешанные делители.

Омические делители напряжения

Принципиальная схема омического делителя напряжения показана на

рис.5.6. На вход делителя подается высоковольтное напряжение U

, а с

выхода снимается низковольтное напряжение U

Делитель состоит из двух последовательно соединённых

сопротивлений Z

и Z

, которые называются высоковольтным и

низковольтным плечом, соответственно. К низковольтному плечу делителя

106

подключаются измерительные приборы, пластины осциллографа,

соединительные кабели и т.п., сопротивление которых подключается

параллельно Z

и должно учитываться в расчетах делителя. Коэффициентом

деления делителя называют отношение входного напряжения U

выходному напряжению U

. (5.1.)

Основными требованиями, предъявляемыми к омическим делителям,

являются:

а) правильная (без искажений) передача формы исследуемого сигнала;

б) независимость коэффициента деления от частоты сигнала и условий

измерений.

Высокоомные делители напряжения рассчитываются таким образом,

чтобы ток, протекающий через плечи делителя, составлял величину

0,5 ÷ 2 мА. Область применения таких делителей – измерение переменных

напряжений промышленной частоты с величиной напряжения U

не выше,

как правило, 200 кВ.

На рис. 5.6 показаны омический и ёмкостной делители напряжения.

107

Реальные делители напряжения имеют

более сложные схемы замещения, расчет их

амплитудных и фазовых характеристик

затруднителен. Однако они могут быть сняты

экспериментально. Лишь при очень высоких,

частотах экспериментальное определение

характеристик реальной измерительной схемы

становится затруднительным.

Другой метод определения качества

измерительной семы в области высоких частот

основан на расчетном 'или экспериментальном

определении реакции на прямоугольный

импульс — формы импульса на выходе схемы

при скачкообразном изменении напряжения на

входе. При единичном воздействии

напряжения на входе реакция на прямоугольный импульс есть не что иное,

как так называемая переходная функция измерительной схемы.

Реакцию на прямоугольный импульс экспериментально определяют

двумя способами. При первом на вход полностью собранной измерительной

схемы подают периодические (50 или 100 раз в секунду) импульсы

напряжения амплитудой около 100 В с фронтом нарастания менее 10

-9

с.

Такие импульсы несложно получить, используя механические коммутаторы,

108

например, с ртутным реле или герконом. На выходе схемы

осциллографом с широкополосным усилителем (с полосой пропускания

до 10

Гц) измеряют реакцию. При втором способе в схеме с напряжением

около нескольких десятков киловольт осуществляют крутой срез

напряжения малоиндуктивным искровым промежутком, помещенным в

сжатом газе. На выходе схемы обычным осциллографом фиксируют

реакцию на срез. Иногда вместо среза используют разряд заряженного

кабеля на волновое сопротивление через такой же искровой промежуток.

Важнейшей характеристикой делителей, кроме коэффициента деления,

является их постоянная времени. Для правильного измерения

быстропротекающих процессов с помощью делителей необходимо, чтобы

постоянная времени делителя была в 5-10 раз меньше характеристического

времени процесса. В противном случае будут наблюдаться искажения формы

сигнала: затягивание фронта и уменьшение амплитуды сигнала на выходе по

сравнению с расчетной.

Выбор типа делителя и его параметров, в первую очередь плеча

высокого напряжения, должен производиться с учетом возможного его

влияния на источник напряжения и на искажение самого измеряемого

напряжения. Например, для обычных ГИН пригодны емкостные, омические

и смешанные делители, если емкость плеча высокого напряжения много

меньше емкости нагрузки, а сопротивление много больше разрядного

сопротивления ГИН. При использовании в качестве плеча высокого

напряжения емкости нагрузки или разрядного резистора ГИН остается

лишь учесть возможные искажения импульса вдоль плеча и в

измерительной схеме с низким напряжением.

109

110