2 Измерение при помощи моста р5026

Образец диэлектрика с потерями может быть представлен в виде эк­вивалентной последовательной или параллельной схемы. Независимо от выбора эквивалентной схемы замещения ряд параметров, характери­зующих ее, остается неизменным. К ним относятся сдвиг фазы между током I в неразветвленной части цепи и падением напряжения U на всей цепи, значение этого тока I и напряжения U, диэлектрические потери Р.

Рисунок 1.3 – Зависимость

Рисунок 2.1 – Последовательная эквивалентная схема замещения и векторная диаграмма образца изоляционного материала

Из всех способов измерения емкостей методом сравнения большей точностью обладают мостовые схемы при переменном напряжении. В технике высоких напряжений получили широкое распространение и хорошо себя зарекомендовали для измерения диэлектрических потерь мосты Шеринга и их разновидности, предназначенные для некоторых специальных измерений. Преимуществом мостов Шеринга является то, что емкость и объекта могут быть измерены при напряжениях вплоть до номинальных.

Рисунок 2.2 – Параллельная эквивалентная схема замещения и векторная диаграмма образца изоляционного материала

Схема подобрана так, что на уравновешивающих элементах R₄, C₄ и R₃ возникает падение напряжение всего в несколько вольт. Если же произойдет пробой или перекрытие конденсаторов С_х или С₀ и между выводами А и В возникает высокое напряжение, то уравновешивающие элементы и обслуживающий персонал будут защищены разрядником, как правило заполненным инертным газом. Уравновешивание моста осу­ществляется изменением R₃ и С₄. В уравновешенном состоянии точки А и В имеют одинаковые потенциалы, и через чувствительный индикатор не протекает тока. В этом случае коэффициенты деления делителей, образо­ванных плечами моста Z_x – Z₃ и Z₀ – Z₄ одинаковы и

. (2.1)

Р₁, Р₂ – защитные разрядники;

С_х – ёмкость измеряемого объекта;

С₀ – ёмкость эталонного конденсатора без потерь;

Рисунок 2.3 – Принципиальная схема моста Шеринга

Уравнение (2.1) является исходной базой для вывода условий рав­новесия моста переменного напряжения с пассивными элементами. Если сравнить действительные и мнимые части полных сопротивлений, то по­лучатся уравнения для определения реактивного сопротивления и .

Например, для моста Шеринга , , , имеем

, (2.2)

, (2.3)

. (2.4)

Сравнение действительных и мнимых частей дает

; . (2.5)

Тангенс угла диэлектрических потерь определяется так :

. (2.6)

Рассчитанная из приведенных условий равновесия моста емкость С_х является емкостью для последовательной схемы замещения: мост Шеринга измеряет емкость и , соответствующий последовательной схеме за­мещения объекта. Исходя из уравнения 2.6

, (2.7)

где f – частота (равная 50 Гц).

Получим, приняв значение ,

. (2.8)

Таким образом, при , численно равен емкости выраженной в микрофарадах, в связи с этим шкалы ручек емкости С₄ снабжают делениями непосредственно указывающими значение изме­ренного .

Для схем, представленных на рисунках 2.1 – 2.2 справедливы следующие соотношения

для последовательной

; , (2.9)

для параллельной

, . (2.10)

Эти соотношения ещё более упрощаются при . Так как при этом , то с погрешностью, не превышающей ±1%, можно счи­тать

; . (2.11)

Емкость С_р в эквивалентной параллельной схеме обычно прини­мают за емкость С_х образца или изделия. Таким образом, обычно, при­менительно к испытуемому образцу или изделию, рассматривают парал­лельную схему замещения.

Мост Р5026 предназначен для измерения емкости и на частоте 50Гц. Измерения осуществляется при высоком напряжении по "прямой" (оба электрода изолированы от земли) и по "перевернутой" схемах (один электрод измеряемого объекта заземлен), при низком напряжении (от встроенного источника питания) – по "прямой" схеме.

Измеряемый образец включается в плечо АС (рисунок 2.4), в плечо ВС включается образцовый конденсатор (Р5023). Два другие плеча моста, состоящие из магазинов сопротивления и емкости, служат для уравнове­шивания моста.

В качестве нуль-индикатора НИ в мосте используется чувствитель­ный транзисторный избирательный усилитель, на выходе которого включен стрелочный прибор. Питание усилителя осуществляется от встроенных элементов питания типа 373 (2шт).

Питание моста при измерении на низком напряжении осуществляет­ся от сети переменного тока при помощи встроенного трансформатора. Для измерения на высоком напряжении необходима внешняя цепь пита­ния.

Все элементы измерительного устройства (находящиеся под высо­ким напряжением при измерениях по "перевернутой" схеме) располо­женные на внутренней панели, окружены экраном и изолированы от корпуса и наружной панели моста при помощи изоляторов. Корпус мо­ста, его наружная и лицевая панель служат внешним электростатиче­ским экраном и при работе моста заземляются.

Мост Р5026 позволяет производить измерение емкости и :

а) по "прямой" схеме на высоком напряжении,

б) по "перевернутой" схеме на высоком напряжении,

в) по "прямой" схеме на низком напряжении,

г) по "прямой" схеме на высоком напряжении с устройством защитного потенциала (УЗП) Ф5122 и блоком конденсаторов Р5069.

УЗП служит для установления напряжения точки В (рисунок 2.2) по отношению к земле равным нулю, при этом исключается появление то­ков утечки. При равновесии моста напряжение между вершинами А и В отсутствует, следовательно напряжение точки А также равно нулю от­носительно земли. УЗП обеспечивает эквипотенциальность экранов мо­ста и измерительной диагонали.

Блок конденсатов предназначен для компенсирования индуктивной составляющей тока идущего от трансформатора напряжения (источника высокого напряжения) к объекту измерения.

Рисунок 2.4 – Электрическая принципиальная схема работы моста на высоком напряжении по «прямой» схеме

Рисунок 2.5 – Монтажная принципиальная схема работы моста на высоком напряжении по «прямой» схеме

Из рисунков 2.4 – 2.5 видны основные особенности работы схемы:

а) высокое напряжение полностью прикладывается к испытуемому образцу С_х;

б) экраны моста заземлены;

в) магазинами сопротивления и емкости уравновешивается ток стекающий с образца при приложении к нему высокого напряжения;

г) при пробое С_х или С₀ измерительный механизм (НИ) и обслуживающий персонал будет защищен от действия высокого напряжения защитными разрядниками P₁ и P₂.

Особенности работы схемы, приведённой на рисунках 2.6 – 2.7:

а) высокое напряжение прикладывается непосредственно к мосту;

б) экран, магазины сопротивления и емкости, нуль-индикатор оказываются под высоким напряжением;

в) магазины сопротивления и емкости уравновешивают ток проте­кающий через мост в объект измерения.

Рисунок 2.6 – Принципиальная электрическая схема работы на высоком напряжении «перевёрнутой» схемы

Рисунок 2.7 – Принципиальная монтажная схема работы на высоком напряжении «перевёрнутой» схемы

Электрическая схема измерения и емкости на низком напряже­нии эквивалентна "прямой" схеме работы моста на высоком напряжении за исключением того, что в цепь питания схемы последовательно вклю­чается ограничительный конденсатор, который вмонтирован внутрь мо­ста.

Рисунок 2.8 – Монтажная схема работы на низком напряжении

Наибольшей точностью измерения емкости и на высоком на­пряжении обладает "прямая" схема, в связи с тем что при работе по "перевернутой" схеме емкость и сопротивление изоляции обмотки высо­кого напряжения (собственно емкость обмотки, ввода и коронирующих соединительных проводов) оказывается присоединенными параллельно испытуемому объекту.

Поэтому для уменьшения погрешности с начала уравновешивают мост с отсоединенным испытуемым объектом, тем самым определяя внешнее влияние, а затем производят испытание объекта.

Чтобы уменьшить ошибку, обусловленную внешним влиянием, производят два измерения с изменением фазы испытательного напря­жение на 180°. Величину испытуемой изоляции определяют как среднее или средневзвешенное двух измерений, т.е. по формулам

или ,(3.18)

где и – значение сопротивления соответственно при первом и втором измерениях.

Ошибки при таких измерениях имеют разные знаки и при усредне­нии результатов отчасти компенсируются.

В настоящее время в эксплуатации в основном используются мосты переменного тока Р595 и Р5026. Мост Р5026 является более поздней мо­дификацией Р595, несколько улучшающий эксплутационные характери­стики.