Высоковольтные испытательные установки и методы измерение высокого напряжения при испытаниях

Цель работы: ознакомиться с испытательными установками высокого напряжения, методами и устройствами измерения высокого напряжения при испытаниях электротехнического оборудования.

Пояснения к работе

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; R_защ – защитное сопротивление.

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.

Мощность испытательного трансформатора определяется токами, длительно протекающими через его высоковольтную обмотку. При испытании изоляции обычно это ёмкостные токи, величины которых определяются ёмкостью самой обмотки трансформатора, объекта испытания и измерительного шарового разрядника (ИШР). Эти ёмкости 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 1А.

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 (R_защ) – 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 1В 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 (ИШР) и электростатические киловольтметры.

Измерение высоких напряжений шаровыми разрядниками. Измерительный шаровой разрядник 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 от 2 до 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 3кВ и выше. Методы измерения при испытаниях высоким напряжением».

Измерение высоких напряжений с помощью шаровых разрядников основано на использовании линейной зависимости величины пробивного напряжения воздушного промежутка с однородным или слабо неоднородным полем от расстояния между электродами.

При измерении напряжения шары ИШР, предварительно установленные на расстояние несколько больше ожидаемого разрядного расстояния, сближаются до возникновения между ними разряда и регистрируется расстояние между шарами в момент разряда.

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=101,3кПа (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 K_П, 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,

.

Как видно из таблицы при значениях относительной плотности воздуха в интервале 0,95 – 1,05 K_П= δ.

Погрешность измерения высоких напряжений не превышает ±3% при условии, что расстояние между шаровыми электродами не превышает половины диаметра шара D_Ш. При расстоянии между шарами S, отвечающих условию 0,5D_Ш<S≤0,75D_Шуказанная погрешность не гарантируется, поэтому значения пробивных напряжений в таблицах даны в скобках. При расстоянии между шарами менее 0,05D_Ш пользоваться таблицами не следует.

При измерении напряжения проводят не менее трех разрядов с интервалом не менее 1 мин. Среднее арифметическое значение из полученных отсчетов считается соответствующим разрядному напряжению, на которое установлен шаровой измерительный разрядник.

Измерение напряжений электростатическим киловольтметром. Для прямого измерения высокого напряжения применяют электростатические киловольтметры. Он представляет собой плоский конденсатор, одна из пластин которого подвижна и закреплена на пружине. Под воздействием напряжения U, приложенного к пластинам, образующим 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.

Система крепления подвижной пластины, регистрирующей отклонение её от положения равновесия, при помощи специального оптического устройства позволяет измерить действующее значение напряжения.

Электростатические киловольтметры имеют относительно малую погрешность ± (1,0 - 1,5)% и позволяют измерять постоянное и переменное напряжения с частотой от 45 до 500000 Гц величиной до 300кВ.

При измерениях необходимо следить за тем, чтобы окружающие заземленные предметы находились на расстоянии, оговоренном нормативами прибора.