1.2. Измерение высокого напряжения электростатическими киловольтметрами

Измерения высокого напряжения переменного и постоянного токов могут производиться с помощью электростатических киловольтметров. Их действие основано на следующих законах. Сила взаимодействия двух проводников в электростатическом поле, при заданном напряжении между ними , равна приращению энергии этого поля , отнесенному к приращению координаты , направленной по линии действия силы:

, при

((1.2)

Поскольку то т.е. при постоянном значении емкости проводников сила взаимодействия проводников прямо пропорциональна квадрату действующего значения напряжения, т.е можно представить:

( (1.3)

В электростатических киловольтметрах значение измеряемого напряжения оценивается величиной перемещения подвижного электрода, движение которого вызывается рассмотренной выше силой. Наиболее широкое применение получили приборы с вращательным движением подвижного электрода. Принцип действия такого прибора и его конструкция приведены на рис. 1.2. Измеряемое напряжение прикладывается между двумя плоскими некоронирующими электродами 1 и 2. В центре электрода 2 имеется отверстие, в котором размещен подвижный электрод 3, укрепленный на коромысле 4 таким образом, что он может перемещаться относительно опоры 5. На коромысле установлено зеркальце, от которого отражается на мерную шкалу световой луч от точечного источника света. Поворот электрода 3 под действием электрического поля между электродами 1 и 2 заставляет двигаться отраженный луч по шкале. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 7. Для успокоения подвижной системы служат два воздушных демпфера 6.

Рис. 1.2. Схема электростатического киловольтметра с вращательным движением подвижного электрода.

Отклонение подвижного электрода 3 настолько мало, что однородность электрического поля между электродами 1 и 2 практически не нарушается. Наша промышленность выпускает два типа электростатических киловольтметров: С-96 на напряжение до 30 кВ и С-100 на напряжение до 75 кВ.

Вследствие квадратичной зависимости между усилием, воздействующим на подвижный электрод электростатического киловольтметра (формула 1.3), и измеряемым напряжением шкалы у таких приборов являются квадратичными.

При измерении переменного напряжения фиксируется действующее значение напряжения. При измерении постоянного напряжения отклонение подвижного электрода не зависит от полярности напряжения.

Преимуществом электростатических вольтметров является то, что они очень мало нагружают измеряемую цепь, что важно при измерении напряжения маломощных источников тока. Емкость вольтметров в пределах 5 – 50 пФ, сопротивление утечки – более 10¹⁴ Ом, что соизмеримо сопротивлением качественной изоляции и не создает токов утечки и, соответственно, нагрузку на измеряемую цепь.

1.3. Измерение высокого напряжения стрелочными или цифровыми приборами с добавочным сопротивлением

При измерениях постоянного высокого напряжения чаще всего используют стрелочные или цифровые приборы (микро- или миллиамперметры) с добавочными резисторами (рис. 1.3А). При известном сопротивлении миллиамперметра добавочное сопротивление и миллиамперметр образуют делитель напряжения. Поэтому миллиамперметр можно проградуировать в единицах напряжения – вольтах. Применяют также омические делители напряжения в сочетании с электростатическими или электронными вольтметрами (рис.1.3Б).

Точность измерений ограничена качеством добавочного резистора R или делителя R1‑R2. При напряжениях до 10⁵ В удается и свести погрешность до 0,01%.

При увеличении напряжения погрешность возрастает. Причинами этого являются влияние токов утечки по изоляционной конструкции резистора и их нелинейная зависимость от напряжения, возникновение короны на отдельных участках резистора, температурная зависимость сопротивления резистора.

Следовательно, для точных измерений добавочный резистор или делитель должны быть некоронирующими, их сопротивление должно быть на несколько порядков меньше сопротивления утечки, а конструкция должна обеспечить отвод выделяющегося тепла в окружающую среду без заметного нагрева токопроводящих элементов.

Рис. 1.3. Схемы измерения постоянного высокого напряжения стрелочными и цифровыми приборами с добавочным резистором (А) и с делителем напряжения (Б).

Обычно резисторы изготавливают из отдельных элементов (проволочных, пленочных, объемных резисторов), соединенных последовательно. Проволочные резисторы изготовляют из тонкой проволочки из константана, нихрома, манганина, наматываемой на изоляционный теплостойкий цилиндр или полосу. Для компактности и более высокой изоляции эти устройства помещают в масло.

Отечественной промышленностью выпускаются резисторы, изготовленные из манганинового микропровода со стеклянной изоляцией, пленочные резисторы типа КЛВ на напряжения до 35 кВ, а также объемные резисторы типа ТВО, пригодные для изготовления добавочных резисторов для измерения практически любых постоянных напряжений. Резисторы должны быть рассчитаны на потребляемую мощность. Пленочные и объемные резисторы должны быть в эксплуатации термостабилизированными, поскольку их сопротивление зависит от температуры.

При измерении постоянных напряжений индуктивность и емкость отдельных элементов резистора между собой и относительно земли не играют роли. Единственным требованием при выборе конструкции может быть предотвращение перекрытия резистора при быстрых изменениях напряжения, например при пробоях.

Переменные величины напряжения и тока изменяются с использованием выпрямительных устройств. При выпрямлении прибор показывает действующее значение.

, где .

((1.4)

По аналогии с рис. 1.3 измерения высоких переменных напряжений выполняют с добавочными резисторами или с делителями напряжения.

В настоящее время стрелочные электромагнитные приборы вытесняются устройствами преобразования аналогового сигнала в цифровой с последующей цифровой индикацией. Здесь также при измерении переменных величин сигнал предварительно выпрямляется, а на индикатор выносится действующее значение.

При измерениях переменного напряжения возникает дополнительная погрешность из-за влияния индуктивностей и емкостей резисторов. При частоте 50 Гц влиянием индуктивности резисторов можно пренебречь. Наличие конечных емкостей между элементами и относительно земли приводит к дополнительной амплитудной и фазовой погрешностям. Амплитудная погрешность вызвана поперечными паразитными емкостями резисторов на землю, по которым протекает ток (рис. 1.4А). Амплитудная и фазовая погрешности связаны друг с другом. Например, при дополнительной погрешности в амплитуде 0,1 % допустима максимальная фазовая погрешность до 0,05 рад для резистора с равномерно распределенной емкостью относительно земли.

Рис. 1.4. Схема измерения переменного высокого напряжения с экранированным резистором. Э - экраны, Rp - резисторы с регулируемым сопротивлением.

Эффективным способом борьбы с этими погрешностями является емкостное экранирование, выравнивающее распределение емкости вдоль столба сопротивлений. Распределение напряжения по экранам может осуществляться вспомогательным делителем R₁, как это показано на рис. 1.4(Б). Из-за сложности конструкции экранированных резисторов R при частоте 50 Гц они находят применение при напряжениях до 10⁵ В, обеспечивая погрешность менее 1%. Прецизионные экранированные добавочные резисторы используют для калибровки трансформаторов напряжения с помощью мостовых схем. Достижением является экранированный резистор сопротивлением 1,2 МОм для напряжений до 60 кВ с погрешностью амплитуды 0,05% и фазы 0,02%.