Метрология и стандартизация / Rossiyskaya metrologicheskaya entsiklopediya. Tom 1 (Okrepilov) 2015

ПередачаединицыККОосуществляетсявдиапазонах значений:

–0,002–1,000, для модуля ККО;

–0–360°, для фазы ККО.

ПередачаединицыККПосуществляетсявдиапазонах значений:

–0,0032–1,000 для модуля ККП (0–50 дБ для ослаблений);

–0–360° для фазы ККП.

Расширенные неопределенность передачи единицы ККО и ККП (мнимая и действии-тельные части) при доверительной вероятности 0,95, U(0,95) приведены в таблице 3.

Научно-технический уровень эталона соответствует современнымдостижениямвданнойобластиизмеренийи соответствуетэталонамведущихметрологическихцентров NIST (США), NPL ( Великобритания), РТВ(Германия).

Точностьвоспроизведенияединицыволновогосопротивления в коаксиальных волноводах и точность передачиеезначениявсемприменяемымвстранесредствам измерений волнового сопротивления, комплексного коэффициента отражения ипередачи соответствуют потребностям страны в этом виде измерений.

Потребителями метрологических услуг непосредственно от эталона являются региональные метрологические центры, включая метрологический центр министерстваобороны, атакжеметрологическиеслужбы крупных промышленных предприятий.

Передача единицы волнового сопротивления от государственного первичного эталона ГЭТ 75-2011 регламентируется ГОСТ Р 8.813-2013. Стандарт распространяется на государственную поверочную схему для средств измерений волнового сопротивления, комплексных коэффициентов отражения и передачи в коаксиальных волноводах в диапазоне частот от 0,01 до 65 ГГц и устанавливает порядок передачи единиц волнового сопротивления, комплексных коэффициентов отражения и передачи в коаксиальных волноводах от государственного первичного эталона средствам измерений с помощью вторичных и рабочих (разрядных) эталоновсуказаниемпогрешностейиосновныхметодов поверки (калибровки) .

Дальнейшие работы по совершенствованию эталона направлены на освоение коаксиального волновода 1мм и расширения частотного диапазона его работы до 100 ГГц.

Принцип действия

Единицы электрического напряжения и временных параметров стандартизованных грозовых и коммутационных импульсов генерируются с помощью генератора импульсных напряжений (состоящего из устройства управления (УУ) (1), зарядного устройства (ЗУ) (2) и за- рядно-разрядногоустройства(3)) содновременнымпреобразованиемзначенийимпульсногонапряженияспомощью преобразовательногоустройства, представляющегособой делительвысокогонапряжения(4), ипоследующейпередачей преобразованного импульса с помощью системы передачи измерительного сигнала на вход анализатора импульсов цифрового (5) и дальнейшей визуализацией на мониторе персонального компьютера (6).

Структурная схема первичного эталона изображена на рис. 1.

Вобщемвидепервичныйэталонпредставляетсобой эталонную измерительную систему (далее по тексту – ИСЭИ) высокого напряжения, включающую следующий комплекс средств измерений:

–делитель импульсов высокого напряжения эталонный измерительный SMC-S 730/1100 (далее по тексту –

ДВНЭИ), двухступенчатый, зав. № 900601 с диапазоном преобразования от 1 до 1000 кВ стандартизованных грозовыхикоммутационныхимпульсов(характеристики указаны в приложении А);

–анализаторимпульсовцифровойэталонныйMIAS- S (далеепотексту – АНЭИ), двухканальный, зав. №901115

сдиапазоном измерения амплитудных от 1 до 1000 В и

временных параметров стандартизованных грозовых и коммутационных импульсов (характеристики указаны

вприложении Б);

–систему передачи измерительного сигнала, представляющую собой согласованный коаксиальный измерительныйкабельсволновымсопротивлением50 Ом

идлиной 25 м;

ивспомогательного оборудования, включающего:

–генератор импульсных напряжений IG 55/1100 L (далее по тексту – ГИН), зав. № 889852 предназначенный для генерирования стандартизованных грозовых

икоммутационных импульсов с диапазоном рабочих напряжений от 1 до 1000 кВ;

–персональный компьютер с программным обеспечением.

Метрологические и технические характеристики, состав эталона

Диапазонизмеренийпервичногоэталонасоставляет от 1 до 1000 кВ положительной и отрицательной полярностейстандартизованныхгрозовыхикоммутационных импульсов.

Стандартизованный грозовой импульс напряжения представляетсобойапериодический, униполярныйполный импульс со следующими параметрами:

–длительность нарастания фронта: от 0,8 до 60 мкс;

–длительность импульса: от 5 до 1000 мкс, или апериодический, униполярный импульс, срезанный на

его фронте или на спаде с временными параметрами, не выходящими за указанный диапазон.

Стандартизованный коммутационный импульс напряжения представляет собой апериодический, униполярный полный импульс со следующими параметрами:

–время подъема до максимума: от 100 до 3500 мкс;

–длительность импульса: от 500 до 10000 мкс. Формы стандартных грозовых и коммутацион-

ных импульсов, воспроизводимые и измеряемые эталоном, соответствуют ГОСТ 1516.2; ГОСТ 17512; ГОСТ 2990; ГОСТ Р 53354; ГОСТ 2933; ГОСТ Р МЭК

60227-1; ГОСТ 26093-84; ГОСТ Р 51317.4.5, а также требованиям других нормативных документов, распространяющихся на методы испытаний импульсным напряжением.

Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы амплитуды напряжения стандартизованных грозовыхимпульсовсосреднимквадратическимотклонением результата измерений в относительной форме, не превышающим 1,40·10-3 при 10-ти независимых наблюдениях.

Относительнаянеисключеннаясистематическаяпогрешность не превышает 1,03·10-3.

Относительная стандартная неопределенность: оцененная по типу А, uA ≤ 1,40·10-3; оцененная по типу В, uВ ≤ 5,38·10-4.

Относительнаясуммарнаястандартнаянеопределенность, не более 1,5·10-3.

Расширенная неопределенность, не более 3,0·10-3

при k=2 (Р=0,95).

Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы амплитуды напряжения стандартизованных коммутационныхимпульсовсосреднимквадратическим отклонением результата измерений в относительной форме, не превышающим 0,90·10-3 при 10-ти независимых наблюдениях.

Относительнаянеисключеннаясистематическаяпогрешность не превышает 8,10·10-4.

Относительная стандартная неопределенность: оцененная по типу А, uA ≤ 0,90·10-3; оцененная по типу В, uВ ≤ 4,25·10-4.

Относительнаясуммарнаястандартнаянеопределенность, не более 1,0·10-3.

Расширенная неопределенность, не более 2,0·10-3

при k=2 (Р=0,95).

Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы временных параметров стандартизованных грозовыхимпульсовсосреднимквадратическимотклонением результата измерений в относительной форме, не превышающим 5,0·10-3 при 10-ти независимых наблюдениях.

Относительнаянеисключеннаясистематическаяпогрешность не превышает 9,53·10-4.

Относительная стандартная неопределенность: оцененная по типу А, uA ≤ 5,0·10-3;

оцененная по типу В, uВ ≤ 5,0·10-4.

Относительнаясуммарнаястандартнаянеопределенность, не более 0,5·10-2.

Расширенная неопределенность, не более 1,0·10-2

при k=2 (Р=0,95).

Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы временных параметров стандартизованных коммутационныхимпульсовсосреднимквадратическим отклонением результата измерений в относительной форме, непревышающим5,0·10-3 при10-тинезависимых наблюдениях.

Относительная неисключенная систематическая погрешность не превышает 9,53·10-4.

Относительная стандартная неопределенность: оцененная по типу А, uA ≤ 5,0·10-3;

оцененная по типу В, uВ ≤ 5,0·10-4.

Относительнаясуммарнаястандартнаянеопределенность, не более 0,5·10-2.

Расширенная неопределенность, не более 1,0·10-2

при k=2 (Р=0,95).

Назначение и область применения

Государственный первичный специальный эталон предназначендлявоспроизведения, измерения, хранения

ипередачиединицэлектрическогонапряжениявуказанных диапазонах номинальных значений нижестоящим эталонам и рабочим средствам измерений с целью обеспечения единства измерений.

Импульсы высоких напряжений используются при испытанияхэлектротехническойаппаратуры, имитации внутренних коммутационных и грозовых перенапряженийвэлектрическихсетях, длямоделированиясрабатывания защитных устройств и т. д. В экспериментальной физике импульсы высоких напряжений применяются длясозданиясильныхимпульсныхэлектрическихполей приисследованиипроцессовэлектрическогопробоя, для получения кратковременных вспышек рентгеновского излучения, дляпитанияискровыхкамер, электронно-оп- тических преобразователей, ячеек Керра, в ускорителях заряженных частиц.

Наибольшееприменение импульсывысокогонапряженияполучиливэлектротехническойпромышленности, благодаря широкому применению электричества и развитию электроэнергетики.

Испытательные стандартизованные импульсные напряжения нормируют в целом ряде отечественных стандартов, таких как: ГОСТ 1516 «Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжение 3 кВ

ивыше. Общие методы испытаний электрической прочностиизоляции», ГОСТ2990 «Кабели, проводаишнуры. Методыиспытаниянапряжением», ГОСТР53354 «Кабели

иих арматура. Испытания импульсным напряжением», ГОСТ 2933 «Аппараты электрические низковольтные. Методыиспытаний», ГОСТ26093 «Изоляторыкерамические. Методыиспытаний», ГОСТР51317 «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к микросекунднымимпульснымпомехамбольшойэнергии. Требованияиметодыиспытаний», ГОСТ687 «Выключателипеременноготокананапряжениесвыше1000 В. Общие технические условия», ГОСТ 17512 «Электрооборудованиеиэлектроустановкинанапряжение3 кВивыше. Методыизмеренияприиспытанияхвысокимнапряжением», ГОСТ 13109 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

СозданвСНИИМ(1972–1977), утвержденПостановлением Госстандарта СССР 30.06.1977 г. № 28.

Основойметодавоспроизведенияэталономединицы емкости является классическая теория длинных линий, устанавливающая зависимость емкости отрезка проводящей линии от его линейных размеров, скорости распространения волны в линии и электромагнитных характеристиксреды, вкоторойраспространяетсяволна.

В составе эталона:

–группаизчетырехидентичныхотрезковбезопорных коаксиальныхлиний(группаэталонныхкоаксиальныхконденсаторов) сноминальнымизначениямиемкости10 пФ.

–высокочастотныйкомпараторэлектрической емкости. Компаратор, используемый при воспроизведении единицы и передаче ее размера, выполнен по схеме двойного Т-образного моста.

Метрологические характеристики

Область применения

Потребителями метрологических услуг непосредственно от эталона являются метрологические центры, включая центр Минобороны, метрологические службы предприятий и НИИ Министерства энергетики, Министерства информационных технологий и связи, Министерства обороны и др.

Э.А. Абросимов

Описание вида измерений

Уголпотерьδ, выражаемыйзначениемтангенсаугла потерь(D, tgδ), являетсяважнейшим(вторымпослеемкости) параметромконденсаторов, варикапов, диэлектриков и других элементов электрических цепей, имеющих емкостной характер. Необходимость измерения этого параметра определяется следующими причинами:

–активные потери энергии Р в конденсаторах, изоляторах, кабелях пропорциональны D (Р = U2 CD, где U – напряжение, – круговая частота, С – емкость). Это приводит к безвозвратным потерям при передаче электрической энергии, к ослаблению сигнала в телефонии, кабельных линиях и т. д.;

–добротностьQ колебательногоконтура, определяющаяегоизбирательностьиостротунастройки, зависитот тангенсауглапотерьвключенноговконтурконденсатора

иливарикапа(1/Q = 1/QL + D, гдеQL – добротностькатушки индуктивности). Это обуславливает необходимость контроляэтогопараметраврадиотехникеителевидении.

Наиболееуниверсальнымопределениемдлятангенса угла потерь является энергетическое определение, согласно которому

где W1 – энергия, рассеянная в конденсаторе за период;

W2 – наибольшая энергия, запасенная в нем. Энергетическое выражение D не используется в из-

мерительной практике из-за трудностей, возникающих приопределениизапасеннойитеряемойэнергии, поэтому пользуютсяболееудобным«практическим» определением угла потерь, основанном на векторной диаграмме конденсатора. Видеальномконденсатореуголсдвигамежду векторамитокаинапряжениясоставляет90°. Вреальном конденсаторе с потерями это условие не выдерживается. Уголδ,дополняющийуголсдвигадо90°, называютуглом потерь. Реальный конденсатор можно заменить эквивалентной схемой замещения, последовательной (Сs, Rs) илипараллельной(Сp , Rp), гдеRs иRp представляютсобой сопротивление, эквивалентное потерям.

Основными причинами потерь энергии в газонаполненном (или воздушном) конденсаторе являются:

–сопротивление электродов, вводов и контактов;

–токи Фуко в металле электродов;

–проводимость воздуха и диэлектрические потери

втвердых диэлектриках, находящихся в электрическом поле конденсатора;

–диэлектрическая абсорбция в пыли и пленке на поверхности электродов. На низких частотах (50 Гц – 1 кГц) этапричинаявляетсяосновнойдлягазонаполненного конденсатора.

В конденсаторе с твердым диэлектриком тангенс угла потерь в основном обусловлен диэлектрическими потерями в диэлектрике, находящемся между электродами, а также потерями в компаунде, используемом для заливки и герметизации.

Основное требование к элементам электрической цепи емкостного характера: чем меньше тангенс угла потерь, тем они качественнее. Поэтому требования к высокой точности возникают при измерении малых значений D (диапазон от 10-3 до 10-5).

Историческая справка

Большойвкладвразвитиеточныхметодовизмерений тангенса угла потерь внес Астин (NIST, США, 1938 г.). Им подробно исследовано влияние диэлектрической пленки на поверхности электродов газонаполненного конденсатора[1]. Экспериментальнодоказано, чтовконденсаторепеременнойемкостиснеизменнойплощадью электродовтангенсуглапотерьобратнопропорционален расстоянию между электродами, или прямо пропорционален емкости конденсатора. Это свойство газонаполненного конденсатора использовано в дальнейшем для воспроизведенияединицыуглапотерь(илиотносительной единицы тангенса угла потерь) во многих странах.

В 60-е гг. прошлого века внимание метрологов было направленонаприменениетеоремыЛэмпарда(Австралия) орасчетномзначенииемкостиконденсаторасперекрестнойсистемойэлектродов. ЛэмпардиКатковскиуказалина отсутствие влияния пленки диэлектрика на поверхности электродовнасреднеезначениеперекрестнойемкостипри полнойсимметрииперекрестныхемкостей. Этосвязанос тем, чтотонкиедиэлектрическиеилиполупроводниковые пленкинаповерхностиэлектродоввызываютвдвухперекрестныхемкостяхфазовыесдвиги, равныеповеличинеи противоположныепознаку. Такимобразомсталовозможным получение среднего значения тангенса угла потерь, близкогокнулевому(впределахпогрешностиизмерений тангенсауглапотерь). Втегодывметрологическойпрактике это свойство практического применения не нашло из-за слишком малой емкости расчетного перекрестного конденсатора, составляющей обычно 0,2–0,4 пФ.

Известен также калориметрический метод исследованияхарактеристикдиэлектриков, восновекотороголежит нагревание исследуемого вещества в электромагнитном поле с использованием криогенной техники. Тома (Германия, 1980 г.) описываеткалориметрическийметодопределения тангенса угла потерь конденсаторов с кварцевым и слюдянымдиэлектрикомпутемизмеренияэнергиипотерь. Дляэтогоизмеряютсяпропорциональныепотерямэнергии скоростьиспаренияжидкогогелияилиприращениетемпературы. ПогрешностьопределенияD непревышает5·10-7.

Развитие вида измерений в России

В 1962 г. во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева была разработана установка высшей точности для измерения тангенсауглапотерь. Внейиспользуетсяпредложенный Т.М. Гущинойметодабсолютноговоспроизведенияэтой величины, основанный на измерении суммы и разности

значений D двух конденсаторов с одинаковым значением емкости. Погрешность определения D оценивается как (1–2)·10-5. Ю.П. Семенов разработал улучшенные конструкции расчетного перекрестного конденсатора, обеспечивающиеполучениеемкости1 пФприпрактическинулевомзначенииD. Былиразработаныэлектродные устройства, обеспечивающиевоспроизведениеединицы углапотерьпометодуАстина, носсущественноменьшей погрешностью(М.Д. Клионский, Ю.П. Семенов). Позднее эти конденсаторы и электродные устройства были включены в состав государственного эталона.

Основные направления развития

Приборыдляизмеренияемкости, какправило, измеряютиD. ПоэтомуколичествоприборовдляизмеренияD исчисляетсянесколькимидесяткамитысяч, авторичные и рабочие эталоны емкости поверяются не только по емкости, но и по D. По принципу действия эти приборы являютсямостамипеременноготокаилирезонансными измерителями. Впоследниегодыполучилираспространениецифровыеизмерителипараметровиммитанса, или LCR-метры, работающие по принципу автобалансного моста. Кроме того, существуют специальные меры угла потерь, отражающие необходимость получения целочисленныхзначенийэтойвеличины. Диапазонизмерений D составляет1·10-5–1, диапазончастот50 Гц – 1(10) МГц. Погрешность приборовобычноуказываютвабсолютнойформеввидедвухчленнойформулы. Например, для наиболееточныхемкостныхмостов ± [(1–10)·10-5 + (0,0005–0,01) D], а для более грубых резонансных при-

боров ± [(1-10)·10-4 +(0,05–0,1) D].

Впоследнеедесятилетиедляобеспеченияпотребностейэлектроэнергетикиосвоенвыпусквысоковольтных (ВВ) цифровых измерителей параметров изоляции – тангенса угла потерь и электрической емкости. Кроме того, сохранились в эксплуатации ВВ-мосты с ручным уравновешиваниемР5026, которыевыпускалисьвстране в течение нескольких десятков лет. Все эти средства измерений (СИ) работают при частоте 50 Гц и имеют погрешностиизмерений: потангенсууглапотерь(1–2)·10-4

+(0,01–0,05)D, по емкости (0,02–5)%.

Единство измерений угла потерь и тангенса угла потерь в стране обеспечивается путем централизации воспроизведенияединицыуглапотерьгосударственным первичнымэталоном(ГЭ) ипередачиединицырабочим СИ тангенса угла потерь с помощью эталонных СИ в соответствии с государственной поверочной схемой (ГОСТ8.019-85), атакжепутемсоблюдениятребований государственных стандартов на методики поверки по D мер электрической емкости, мостов переменного тока и измерителей параметров иммитанса (ГОСТ 8.255-2003,

ГОСТ Р 8.686-2009, ГОСТ 25242-93).

Методсиспользованиемплоскопараллельногопеременногоконденсаторасохраннымкольцомупомянутый выше, применяется практически во всех странах, где проводится воспроизведение единицы угла потерь. Его можно считать классическим.

В таком конденсаторе имеется близкая к линейной зависимость угла потерь от емкости: δ ≈ D = КС. Путем сравненияуглапотерьδ1 переменногоконденсатора при различных установках его емкости Ci (например 10, 20, 30 пФ) с углом потерь δe постоянного конденсатора Cе (10 пФ), принятым для хранения единицы, и решения соответствующей системы уравнений определяют действительныезначенияугловпотерьсличаемыхобъектов.

Mетод перекрестного конденсатора основан на использовании свойства расчетного конденсатора по Лэмпарду, заключающегося в том, что в геометрически и электрически (Сс1=Сс2 ) симметричной перекрестной конструкциисреднеезначениеуглапотерьблизкокнулю:

где D0 – потери в диэлектрике, заполняющем межэлектродное пространство; Dс1 и Dс2 – тангенсы угла потерь, соответствующиеперекрестнымемкостямСс1 иСс2 .

Метод с использованием отношения плеч трансформаторного моста был разработан во ВНИИМ [3] и является дальнейшим развитием классического метода . Он позволяет исключить один из источников погрешности, связанныйссуммированиемконденсаторов, иупрощает процедуру измерений. В соответствии с методом установки различной емкости в системе электродов плоскопараллельногоконденсаторапроводятсяприразличных виткахвизмерительномплечетрансформаторногомоста, образующих отношения n=0,1; 0,2; ...1. Cмежное плечо моста имеет отношение витков ne и содержит постоянныйконденсаторСе икомпонентыдляуравновешивания моста по емкости и активной проводимости G.

При двух установках емкости в системе электродов

где G1 и G2 – значения активной проводимости на отсчетном устройстве моста; β и e – квадратурные погрешности коэффициентов n и nе.

Выражения(3) и(4) дополнительносодержатквадратурныепогрешностиβи e трансформатораотношений (ТО) моста, однако современные методы калибровки трансформаторных мостов позволяют определить эти величинысдостаточновысокойточностью(погрешность порядка 1·10-8).

Рис.1. Государственный первичный эталон единицы угла потерь

измеренийсоставляют: uA=0,1 мкрад, uB= 0,2–0,3 мкрад. Диапазон емкости 1–100 пФ, частота 1 кГц.

Аппаратура ГЭ содержит два плоскопараллельных переменных конденсатора емкостью 5–30 и 20–100 пФ, два перекрестных конденсатора емкостью 1 пФ, трансформаторный мост и вакуумную систему (рис. 1).

Отличительная особенность плоскопараллельного конденсатора 5–30 пФ состоит в том, что в него встроен дополнительныйпостоянныйконденсатор10 пФ, включаемый в измерительное или смежное плечо моста в зависимости от применяемого метода воспроизведения единицы, причем низкопотенциальный (НП) электрод является общим для обоих конденсаторов. Это позволяет сохранить одинаковыми емкости НП электрода на землю при переключениях постоянной и переменной емкости в соответствии с процедурой воспроизведения единицы. Другая особенность заключается в наличии дополнительныхэкранов, окружающихкаждыйэлектрод

иэлектрически присоединенных непосредственно к заземленной средней точке ТО моста [4]. Все это способствует устранению одного из основных источников погрешности, связанного с влиянием сопротивления в цепизаземленияизмеряемогообъекта. Электродыимеют следующиедиаметры: НП-50 мм, высокопотенциальный

(ВП)-76 мм.

Плоскопараллельныйконденсатор20–100 пФсодержитдваплоскихэлектрода, устройствадлядискретнойи плавной установки расстояния между ними и механизм разгрузкиверхнегоэлектрода[5]. Диаметрыэлектродов:

НП-200 мм; ВП-300 мм.

При создании перекрестных конденсаторов особое вниманиебылоуделеноповышениюихемкостидозначения1 пФиустранениювлияниякраевойемкостинаугол потерь. Один из перекрестных конденсаторов содержит системуизрасположенныхсооснодвухцилиндрических

итрех кольцевых электродов, рабочие поверхности которых образуют два соосных тороида с прямоугольным

поперечным сечением. Во втором перекрестном конденсаторе электроды выполнены в виде двух соосных цилиндрическихоболочек, каждаяизкоторыхразделена изолирующими зазорами по образующим на 8 равных секций [6]. Длина каждого из зазоров определяется положениемдвухохранныхэлектродов, расположенныхна торцах внутренней оболочки.

Трансформаторный мост содержит устройство компенсациинагрузочноготокавТО. Вмостеимеютсятакже устройства для исключения влияния соединительных проводников к измеряемому объекту и компенсации потерь встроенных конденсаторов. При частоте 1 кГц и емкости10 пФмостимеетразрешающуюспособностьпо тангенсу угла потерь 2.10-8. Квадратурная погрешность для коэффициентов n=0,5 и nе=1 составляет =2.10-8 ие <1.10-8 соответственно.

Передача единицы угла потерь и тангенса угла потерь в область высоких напряжений промышленной частоты

В связи с возрастающими требованиями электроэнергетики к точности измерения тангенса угла потерь воВНИИМразработанановаяметодикавоспроизведения единицы угла потерь на аппаратуре существующего ГЭ при частоте 50 Гц [7].

Снижение измерительной частоты ГЭ с 1 кГц до 50 Гц сопровождается существенным уменьшением чувствительностиизмерительнойустановкииснижением соотношения сигнал/шум за счет наложения помехи промышленной частоты. Для повышения уровня полезного сигнала диапазон емкости электродной системы из состава ГЭ был расширен до 400 пФ, что позволяет повысить значение емкости с 10 пФ, при котором воспроизводят единицу угла потерь, до 100 пФ. В качестве измерительного устройства применен прецизионный цифровой мост АН 2700А, США, который работает в диапазоне частот 50 Гц…20 кГц при измерительном напряжении 1,5…15 В и имеет высокую разрешающую способность по тангенсу угла потерь (1·10-6…1·10-7 в зависимости от частоты). Неопределенность результата прямых измерений моста нормируется на два порядка больше, то есть 5·10-4…1·10-5.

Результаты измерений показывают, что:

–значение угла потерь ГЭ при емкости 100 пФ составляет 1,4 мкрад, расширенная неопределенность измерений U=5,0 мкрад, k=2;

–начальноезначениетангенсауглапотерьцифрового

моста при емкости 100 пФ составляет D0= – 2,0·10-6. Для передачи единицы угла потерь в ВВ-область из-

мерений применяют газонаполненный ВВ-конденсатор КГИ 10-1-100 (100 пФ, до 10 кВ, изготовитель ф. «Высоковольтная техника», г. С.-Петербург) и автоматический мост СА7100-М1 (изготовитель ОЛТЕСТ, г. Киев). По результатам исследований во ВНИИМ нелинейность тангенса угла потерь конденсатора КГИ не превышает 2·10-6 принапряжениидо10 кВ. МостСА7100-М1 разработан по техническим требованиям ВНИИМ и является метрологическимвариантомсерийновыпускаемогомоста СА7100-2. Онимеетдополнительнуюфункциюсамокали-

бровки трансформаторных плеч, при этом погрешности плеч учитываются с помощью специальной программы.

Определяют D конденсатора КГИ при частоте 50 Гц, используямостАН2700А, устанавливаютконденсаторв эталонноеплечомостаСА7100-М1 ипроводятизмерения СиD ВВ-мертангенсауглапотерьпридругихноминаль- ных значений емкости.

Вторичные эталоны

Во ВНИИМ созданы многозначные меры тангенса угла потерь для низких и высоких напряжений, утвержденные в качестве вторичных эталонов в 2014 г. Основные метрологические характеристики эталонов представлены в таблице 1.

Низковольтная мера ВТУП-1В предназначена для воспроизведения плавно-переменных значений D при входной емкости 1 нФ. Состоит из трехстаторного дифференциальноговоздушногоконденсатора, наборарезисторов и отсчетного устройства, заключенных в корпус. Изменение D осуществляется схемным путем – за счет изменения емкости воздушного конденсатора, смена диапазона и частоты достигается путем переключения резисторов. При этом входная емкость меры остается неизменной, ашкалазначенийD сохраняетсялинейной.

Вторая низковольтная мера МТУП-2Д содержит два слюдяныхконденсатора10 нФи1 мкФсоштепсельным переключателем, набор резисторов и два кнопочных переключателя, предназначенных для выбора значений D и частоты. Использование обеих мер обеспечивает возможность поверки измерителей D в каждой точке диапазонаD приодномзначенииемкости, ивотдельных точках диапазона D при других значениях емкости, как это требует стандарт на поверку (ГОСТ Р 8.686-2009).

Высоковольтная мера МПВ-5 содержит емкостный элемент 1 нФ и резисторы, размещенные в металлическом корпусе (рис. 2).

Емкостный элемент выполнен на основе высоковольтных стабильных керамических конденсаторов. Всегоиспользованы40 конденсаторов. Емкостькаждого конденсатора составляет 10 нФ, D=(1-2)·10-4 при 50 Гц. Благодаря выбранной схеме последовательно-парал- лельного включения падение напряжения на каждом конденсаторесоставляет1/20 частьотприложенного, то есть500 Впримаксимальномдействующемнапряжении 10 кВ, что более чем в два раза меньше допускаемого (1,1 кВ). Разныезначениятангенсауглапотерьполучают путем последовательного присоединения резисторов к

емкостномуэлементу. Высоковольтныйвыводоформлен в виде металлического стержня со съемным шариком, низкопотенциальные выводы – в виде гнезд ВNC. Мера предназначена как для поверки высоковольтных мер и измерителей тангенса угла потерь, так и для участия в международныхсличенияхвкачествеэталонасравнения.

Основные научные результаты, уникальность и преимущество

В государственном эталоне в отличие от национальных эталонов других стран используются три независимых метода воспроизведения единицы, что позволяет правильнооценитьНСПэталона. ВходящиевсоставГЭ электродныесистемыимеютрядконструктивныхособенностей, направленныхнаустранениеодногоизосновных источников погрешности, связанного с сопротивлением вконтурезаземленияэлектродногоустройства. Созданы два типа перекрестных конденсаторов емкостью 1 пФ с минимальным(«нулевым») угломпотерь: тороидальный

имногосекционнный цилиндрический. Создан измерительный трансформаторный мост, в котором плечевой трансформатор отношений работает в ненагруженном режиме. Разрешающая способность моста по тангенсу углапотерьсоставляет2·10-8. Всеэтопозволяетоценить суммарную стандартную неопределенность ГЭ в несколько единиц 10-7.

Благодарянезависимомувоспроизведениюединицы

идостигнутомуприэтомвысокомууровнюточностиГЭ единицы угла потерь является «базовым» для эталонов других производных параметров электрических цепей, таких как добротность катушки индуктивности, постоянная времени и фазовый угол резистора. Связь между размерами этих единиц осуществляется в специальных мостовых схемах (индуктивно-емкостный мост, квадратурный мост).

Рис. 2. Мера тангенса угла потерь МПВ-5

Международное сотрудничество. Сличения

Работы по воспроизведению единицы угла потерь проводятсявбольшинствепромышленно-развитыхстран [8]. Последними (по времени) в этом ряду находятся республикаКорея(1995, приучастииВНИИМ), Швеция

(1996) и Финляндия (2006).

ПоГЭв1998 г. былааттестованапоуглупотерьмера емкости Чешского метрологического института (ЧМИ), которыйучаствовалвэтомжегодувсличенияхврамках ЕВРОМЕТ(проект№345). Результатысличенийпоказали, что уровень точности, достигнутый во ВНИИМ при измеренииуглапотерь, существенновыше(в10–60 раз), чемвбольшинстведругихевропейскихметрологических институтах.

Международные сличения мер тангенса угла потерь обычно проводились при малых значениях D порядка 1·10-6 и при малых значениях емкости С = 10…100 пФ. Однако электроэнергетика больше заинтересована в точных измерениях средних и больших значений D и в проведении этих измерений при высоком напряжении в более широком диапазоне емкости. Для удовлетворения этих запросов в мае 2011 г. проведены сличения [9] мер тангенсауглапотерьмеждуВНИИМиметрологическим центромMIKES, Финляндия(проектЕВРОМЕТ№1174). Объектом исследований явились две меры: МПВ-1 и МПВ-3 (прототипмерыМПВ-5). Сличенияпроводились вМИКЕС, для измерений использован высоковольтный трансформаторный мост 2809 фирмы «Tettex Ins». В большинстве случаев результаты измерений D совпадают с данными ВНИИМ в пределах (2–4)·10-5, что не превышаетсуммарнойрасширеннойнеопределенности, учитывающей неопределенности, заявленные обоими участниками сличений (рис. 3).

ТолькодлябольшихзначенийD (1000·10-4) приемкости 1 нФ расхождение результатов измерений имеет за- вышенноезначение2·10-4. Данныеизмеренийпоемкости

показываютудовлетворительноесовпадениевпределах 0,01%. Результаты сличений показали необходимость дальнейших исследований методов и аппаратуры для измерения тангенса угла потерь, особенно в части измерений больших значений этой величины.

Сопоставлениеметрологическиххарактеристикэталона с зарубежными аналогами показывает, что эталон находится на уровне точности, достигнутом в США, Германии, Австралии и других промышленно развитых странах.

Литература

1.A.V. Astin. Measurement of relative and true power factors of air capacitors in J.Res.NBS. 1938. Vol. 21. P. 425–456.

2.M.D. Klionsky, Yu.P. Semenov. Reproduction of the Loss Angle Unit of VNIIM. CPEM-2000. Digest. Sydney. 2000. P. 135–136,

3.Klionsky M.D. Improved method for reproduction of the loss angle unit. XIV IMEKO WORLD CONGRESS. Finland. 1997. P. 103–108.

4.КлионскийМ.Д. Эталонединицыуглапотерь. Авт. св.

№ 1107656. 1986. № 45.

5.Семенов Ю.П., Могилин Ю.В.,Пескарев К.И. Конден-

сатор переменной емкости. Авт. св. № 1355018. 1987.

6.Семенов Ю.П. Перекрестный конденсатор. Авт. св.

№ 1272876. 1986. № 35.

7.Клионский М.Д. Повышение точности измерений тангенса угла потерь при высоких напряжениях с использованиемпервичногоэталона// ТрудыXII Международной

конференции «АПЭП». Новосибирск. 2014. Т. 3, С. 45–48.

8.J. Melcher, G. Ramm, H. Bothe et al. Bilateral Comparisons of the Dissipation Factor of Capacitors at 1 kHz. CPEM. 2004. Conf. Digest. P. 236–237.

9.J.Hallstrom, M.Klionsky and E.-P.Suomalainen. Methods for comparison of loss angle standards at 10 kV. CREM. 2012. Conf. Digest, P. 402-403.