Высоковольтные испытательные установки и измерение высокого напряжения постоянного и переменного тока.
Цель работы: ознакомиться испытательными установками высокого напряжения, методами и устройствами измерения высокого напряжения при испытаниях.
Пояснения к работе
Высокое напряжение в лабораториях получают с помощью испытательных трансформаторов, которые обладают рядом особенностей по сравнению с силовыми трансформаторами. Эти особенности вытекают из условий эксплуатации испытательных трансформаторов и установок на их основе: кратковременность работы, в том числе при номинальном напряжении, частые замыкания со стороны высокого напряжения и отсутствие воздействия атмосферных перенапряжений. Испытательные трансформаторы имеют облегченную изоляцию, большой коэффициент трансформации, относительно небольшие мощность, габариты и массу, выполняются, как правило, однофазными. Принципиальная схема испытательной установки переменного тока высокого напряжения представлена на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Принципиальная схема испытания изоляции переменным высоким напряжением. V1 - вольтметр; ИТ- испытательный трансформатор; ОИ - объект испытания; Rзащ – защитное сопротивление.
Мощность испытательного трансформатора определяется токами, длительно протекающими через его высоковольтную обмотку. При испытании изоляции обычно это емкостные токи, величины которых определяются емкостью самой обмотки трансформатора, объекта испытания и ИШР. Эти емкости невелики и поэтому режимы работы испытательных трансформаторов близки к режиму холостого хода. Исключение составляют испытания изоляции, поверхность которой покрыта увлажненным загрязнением или смачивается дождем. В этих случаях активные тока могут достигать значительных величин. Испытательные трансформаторы для таких испытаний должны быть выполнены на номинальный ток высоковольтной обмотки не менее 1 А.
В схеме испытания источником высокого переменного напряжения может быть испытательный трансформатор или каскад, состоящий из двух или трех последовательно соединенных трансформаторов, в зависимости от необходимого уровня испытательного напряжения.
Регулятор напряжения должен обеспечивать необходимую скорость подъема напряжения, оговоренную ГОСТ на проведение испытания, а мощность его должна быть не менее мощности, развиваемой на объекте испытания. Основное назначение защитного сопротивления (Rзащ) – ограничивать крутизну среза напряжения на выводах трансформатора и демпфировать колебания напряжения в цепи «объект - испытательный трансформатор» при перекрытии или пробое объекта испытания или шарового разрядника. С этой целью его величину выбирают достаточной для сглаживания начального распределения напряжения вдоль обмотки трансформатора: (1 ÷ 2) Ом на 1 В номинального напряжения. Это сопротивление ограничивает также броски тока при пробое на объекте.
При проведении высоковольтных испытаний оборудования для измерения высокого напряжения широко используются измерительные шаровые разрядники и электростатические киловольтметры.
Измерение высоких напряжений шаровыми разрядниками. Измерительный шаровой разрядник (ИШР) представляет собой два металлических шара с хорошо обработанными поверхностями и с возможностью изменения расстояния между шарами. Для измерений напряжения применяются шаровые измерительные разрядники с вертикальным или горизонтальным расположением шаров с диаметрами 2; 5; 6,25; 10; 12,5; 15; 25; 50; 75; 100; 150; 200 см.
Погрешность измерения с помощью ИШР не превышает 3% при правильной методике измерения с соблюдением требований, определенных ГОСТ 17512-82 «Электрооборудование и электроустановки на напряжение 3 кВ и выше. Методы измерения при испытаниях высоким напряжением».
Измерение высоких напряжений шаровыми разрядниками основано на использовании линейной зависимости величины пробивного напряжения воздушного промежутка с однородным или слабонеоднородным полем от расстояния между электродами.
При измерении напряжения шары ИШР, предварительно установленные на расстояние несколько больше ожидаемого разрядного расстояния, сближаются до возникновения на них разряда и регистрируется расстояние между шарами в момент разряда. Скорость при уменьшении расстояния между шарами, применяемыми для непосредственного измерения напряжения, должна быть для шаров диаметром до 10 см не более 1 мм/с, а для шаров диаметром 10 см и выше — не более 2 мм/с.
Допускается измерять напряжение при фиксированном расстоянии между шарами. При этом напряжение поднимается до 1/3 от разрядного с произвольной скоростью, затем напряжение плавно повышается со скоростью, позволяющей провести отсчет показания измерительного прибора в момент разряда на шарах.
Величина напряжения, при котором произошел пробой, определяется по специальным таблицам разрядных напряжений шаровых промежутков (ГОСТ 17512 – 82, табл. 1—2 приложения 6). В таблицах приводятся амплитудные значения пробивных напряжений в зависимости от диаметра шаров и расстояния между ними при нормальных атмосферных условиях: давление воздуха P0 = 101,3 кПа (760 мм рт. ст.) и температура окружающего воздуха T0 = 293 K (20°С).
Разрядные напряжения при атмосферных условиях, отличающихся от нормальных, получают умножением табличных значений напряжений на поправочный коэффициент KП, который зависит от относительной плотности воздуха δ (табл. 1.1).
Таблица 1.1.
Относительная плотность воздуха δ |
0,70 |
0,75 |
0,80 |
0,85 |
0,90 |
0,95 |
1,0 |
1,05 |
1,10 |
1,15 |
Поправочный коэффициент KП |
0,72 |
0,77 |
0,82 |
0,86 |
0,91 |
0,95 |
1,0 |
1,05 |
1,09 |
1,13 |
Относительная плотность воздуха
,
где:
Р — атмосферное давление, Па;
t — температура окружающего воздуха, °С.
Если давление выражено в миллиметрах ртутного столба,
.
Погрешность измерения высоких напряжений не превышает ±3% при условии, что расстояние между шаровыми электродами находится в пределах S ≤ 0,5D, где D – диаметр шаров.
При соотношении 0,5D < S ≤ 0,75D не гарантируется указанная погрешность и поэтому значения пробивных напряжений в таблицах даны в скобках. При расстоянии между шарами менее 0,05D пользоваться таблицами не следует.
Перед измерением напряжения шаровыми измерительными разрядниками следует провести несколько разрядов на шарах до получения стабильных значений разрядного напряжения.
При измерении напряжения проводят не менее трех разрядов с интервалов не менее 1 мин. Среднее арифметическое значение из полученных отсчетов считается соответствующим разрядному напряжению, на которое установлен шаровой измерительный разрядник.
Значения разрядного напряжения не должны отличаться от среднего арифметического значения более 3%. Если это условие не будет соблюдено, следует провести еще три измерения. Когда и при повторных измерениях не будет достигнута требуемая точность, то должны быть приняты меры для выяснения причины нестабильности.
При измерении напряжений с амплитудой меньше 50 кВ шаровыми разрядниками любого диаметра и любых напряжений шаровым разрядником диаметром меньше 12,5 см рекомендуется облучение межэлектродного промежутка. Облучение может осуществляться радиоактивными препаратами или кварцевыми ртутными лампами.
Измерение напряжений электростатическим киловольтметром. Для прямого измерения высокого напряжения применяют электростатические киловольтметры. Принцип измерения напряжения электростатическим киловольтметром основан на измерении сил электрического поля, возникающих между заряженными электродами (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Схема устройства электростатического киловольтмера; 1 – высоковольтный электрод; 2 – заземленный электрод-экран; 3 – подвижный электрод; ИС – источник света
Под воздействием напряжения U, приложенного к пластинам 1 и 2, образующим плоский конденсатор, между ними возникает сила взаимодействия, стремящаяся сблизить их. Эта сила прямо пропорциональна квадрату напряжения и обратно пропорциональна квадрату расстояния между электродами:
,
где S – площадь электродов, образующих плоский конденсатор, l – расстояние между электродами, ε0 = 8,85·10–12 Ф/м – электрическая постоянная, ε - диэлектрическая проницаемость среды.
Перемещение подвижной пластины 3 уравновешивается механической силой системы ее крепления. Система крепления подвижного электрода, регистрирующего отклонение его от положения равновесия, при помощи специального оптического устройства позволяет измерить действующее значение напряжения.
Электростатические киловольтметры имеют относительно малую погрешность ± (1,0 - 1,5)%, небольшую входную емкость порядка 18 пФ и позволяют измерять постоянное и переменное напряжения с частотой от 45 до 500 000 Гц.
Из высоковольтных электростатических киловольтметров распространены:
- настольный киловольтметр С-100, имеющий три предела измерения 25, 50, 75 кВ;
- настольный киловольтметр С-96, позволяющий измерять напряжения до 30 кВ;
- киловольтметр С-101, представляющий собой напольную конструкцию достаточно больших размеров, с пределом измерения 300 кВ.
При измерении необходимо следить за тем, чтобы окружающие заземленные предметы находились на расстоянии, оговоренном нормативами прибора.