книги из ГПНТБ / Шваб А. Измерения на высоком напряжении. Измерительные приборы и способы измерения

стоты.и постоянных напряжениях), определенных по ве­ личине шарового промежутка. Возникновение начальных условий для независимого разряда в газе следует ста­ тистическому закону. Если во время весьма кратковре­ менного импульса напряжения нет начальных электро­ нов, то пробой не происходит даже тогда, когда ампли­ тудное значение импульса больше статического разряд­ ного напряжения искрового промежутка. Подробные све­ дения об этом эффекте можно найти в литературе, по импульсной прочности газообразных, жидких и твердых изоляционных материалов [Л. 17, 177].

Измерение напряжения шаровым разрядником про­ изводится или при постоянно установленном высоком напряжении и последующем постепенном уменьшении ве­ личины промежутка между шарами, первоначально уста­ навливаемого слишком большим, или при неизменном шаровом промежутке и'повышении напряжения до про­ боя. В первом случае величину промежутка нужно изме­ нять не более чем на 1% диаметра шара в секунду, а во втором случае напряжение должно достигать разрядного значения не ранее чем через 30 с. По нескольким сле­ дующим друг за другом значениям, имеющим небольшой разброс, определяют значение напряжения. При измере­ ниях импульсных напряжений изменяют или величину промежутка, или амплитуду импульса до тех пор, пока 50% всех импульсов не приведут к пробою (50%-ное им­ пульсное разрядное напряжение) [Л. 181]. Из большого числа измерений, проведенных в разных странах, были определены стандартизованные значения разрядных на­ пряжений ;[Л. 168, 169], которые при упомянутых выше условиях воспроизводятся с определенной точностью. Нормируемые МЭК и стандартами стран табличные зна­ чения справедливы с точностью ±3% для переменных напряжений при условии Ssgl г; для постоянных напря­ жений с точностью ±5% для 5 ^ 0 ,8 г. Значения для по­ ложительного и отрицательного импульсного напряжения с фронтом не менее 50 мкс справедливы с точностью + 3% для S<=:r *. ’

Упомянутая выше точность измерения обеспечивает­ ся только при соблюдении условий, которые подробно изложены в указаниях стандартов и норм МЭК [Л. 168,

* Принятые в СССР таблицы для шаровых промежутков приве­ дены в ГОСТ 1516-68; значения, которые даны в скобках, имеют меньшую точность. П рим , р е д.

100

169]. Краткое описание важнейших правил Дается ниже. Напряжение подводится к стержню шара на расстоянии, равном не менее чем двум радиусам шара.

На промышленной частоте для демпфирования пере­ ходных процессов, обусловленных формирующимся раз­ рядом, и с целью уменьшения обгорания шара последо­ вательно с шаровым разрядником включают активное сопротивление величиной от 10 кОм до 1 МОм. При ча­ стотах больше 1000 Гц величину добавочного сопротив­ ления следует уменьшать пропорционально частоте. Добавочное сопротивление и емкость шарового разряд­ ника образуют частотнозависимый делитель напряже­ ния. Максимально допустимое добавочное сопротивле­ ние зависит от емкости шарового разрядника. Необходи­ мо позаботиться о том, чтобы в пределах желаемой точ­ ности измерений, значение R было достаточно мало по сравнению со значением 1 /соС, и тогда Передаточное от­ ношение делителя близко к І. 'Влияние на результаты измерений высокочастотных колебаний, наложенных на низкочастотные напряжения, подробно рассмотрено в [Л. 179, 180].

При измерениях импульсных напряжений добавочное сопротивление демпфирует переходные процессы, возни­ кающие вследствие быстрых изменений тока и напря жения при пробое разрядника, которые могут повредить испытуемому объекту. Наиболее употребительное значе­ ние добавочного сопротивления около 500 Ом. При срав­ нительно малой емкости шарового разрядника можно применять и большие значения. Собственная постоянная времени шарового разрядника с добавочным сопротив­ лением должна быть достаточно мала по сравнению с крутизной фронта измеряемого импульса.

При измерении напряжений с амплитудным значени­ ем ниже 50 кВ шарами всех размеров и в каждом слу­ чае при измерении шарами диаметрами 12,5 см и менее необходимо дополнительное облучение шарового искро­ вого промежутка. Это дает возможность получать ре­ зультаты измерений с малым разбросом [Л. 176]. Созда­ ние начальных электронов путем облучения может про­ изводиться:

радиоактивным препаратом, который находится вну­ три находящегося под напряжением шара вблизи его точки пробоя; радиоактивность должна быть не менее 0,2 мКюри (желательно 0,6 мКюри);

101

ptyTHoft кварцевой лампой, установленной на рас­ стоянии В от шарового разрядника так, чтобы свет падал на точку пробоя шара; согласно рекомендациям МЭК. мощность и ток ртутной кварцевой лампы должны быть не менее 35 Вт и 1 А;

рентгеновской трубкой, располагаемой аналогично кварцевой лампе или радиоактивному изотопу.

Способы облучения радиоактивным препаратом или рентгеновской трубкой не нашли широкого применения и используются только при исследовательских работах. Это объясняется необходимостью эффективных защитных мер при обращении с радиоактивными'препаратами и рент­ геновскими трубками, что весьма сложно.

Разрядное напряжение шарового разрядника про­ порционально относительной плотности воздуха б, кото­

где р измеряется в мбар и д — в °С, или

8 = 0,386 "273+Г9- -’

где р — в Topp и д — в °С.

Стандартные табличные разрядные напряжения даны для нормальных атмосферных условий при 20°С и 1 013 мбар (760 Topp), при которых относительная плот­ ность воздуха 6=1. Поэтому при других значениях отно­ сительной плотности воздуха они должны быть пересчи­ таны. Чтобы получить действительные значения разряд­ ных напряжений U'vаз, нужно значение разрядного напряжения [/раз, взятое из таблицы стандарта, умножить на пересчетный коэффициент k, взятый в зависимости от величины 6 и приведенный ниже:

£Араз= &^раз-

В диапазоне 0,95^ 6^ 1,05 k = ö.

Влажность воздуха в пределах желаемой точности практически не оказывает никакого влияния на разряд­ ное напряжение.

102

Как следует из приведенных выше данных, шаровые разрядники довольно чувствительны к воздействию внешних полей и к соседним предметам, имеющим по­ тенциал земли. Согласно проведенным теоретическим и экспериментальным исследованиям І[Л. 170, 171] на устройство, показанное на рис. 89, соседние заземленные стены и приборы влияют значитель­ но меньше. Поэтому для него нуж­ но меньшее защитное пространство.

Разрядное напряжение искрового промежутка шар — полушарие при­ мерно на 5% ниже значений, полу­ чающихся у нормального шарового разрядника при S —r. При меньших шаровых промежутках эти отклоне­ ния соответственно меньше. Некото­ рые авторы дают поправочные ко­ эффициенты, при помощи которых для искрового промежутка шар — полушарие удается использовать

стандартные таблицы для нормального шарового раз­ рядника.

Искровые промежутка с перекрещивающимися ци­ линдрическими электродами также сравнительно нечув­ ствительны к влиянию внешних полей [Л. 172]. Одновре­ менно они имеют еще и то преимущество, что электроды сравнительно легко установить очень точно. Недостат­ ком их является необходимость в большой площади вы­ соковольтного зала, так как длина цилиндров должна быть примерно в 5 раз больше разрядного промежутка.

14.ИЗМЕРЕНИЕ АМПЛИТУД ВЫСОКИХ ПЕРЕМЕННЫХ

ИИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Действующее значение проще всего измерять изве­ стным способом на низковольтной стороне трансформа­ тора напряжения, а затем по коэффициенту трансфор­ мации пересчитывать его на высоковольтную сторону. К сожалению, коэффициент трансформации у испыта­ тельных трансформаторов, применяемых в ТВН, сильно зависит от нагрузки, кроме того, форма кривых напря­ жения на высоковольтной и низковольтной сторонах в большинстве случаев несинусоидальна и неодинакова. Это значит, что высокое и низкое напряжения имеют раз­ ные коэффициенты амплитуды. Высоковольтные испыта-

103

тельные трансформаторы часто питаются от трехфазных преобразовательных агрегатов, которые нагружаются однофазно. Несимметричная нагрузка приводит к нали­ чию явно выраженных третьих гармонических составляю­ щих в напряжении на зажимах генератора. Обычно эти гармонические составляющие ослабляют специальными демпферными обмотками, заложенными в полюсные башмаки ротора.

Рис. 90. Схема, поясняющая возник­ новение искажений в напряжении на

у испытательного трансформатора в намагничивающем токе есть высшие гармонические составляющие, которые являются причиной искажения формы кривой низкого напряжения. Намагничивающий ток протекает по внут­ реннему сопротивлению генератора и сопротивлению подводящих проводов (рис. 90). Возникающие при этом падения напряжений накладываются на синусоидальную э. д. с. генератора и искажают первоначальное синусои­ дальное напряжение на его зажимах. Хотя амплитуды высших гармонических в намагничивающем токе малы по сравнению с амплитудой основной гармоники, они вследствие своих высоких частот могут создавать на ча­ стотнозависимых полных сопротивлениях источника и подводящих проводов к трансформатору заметные паде­ ния напряжения. Кроме того, высшие гармоники могут оказаться следствием вынужденных колебаний в конту­ ре, состоящем из индуктивности генератора и трансфор­ матора и суммы емкостей испытуемого объекта и обмот­ ки высокого напряжения. Последнее увеличивает иска­ жение формы кривой [Л. 227].

104

Форму кривой высокого напряжения проще всего про­ верить при помощи электроннолучевого осциллографа и делитбля напряжения. Специальные приборы для иссле­ дования высших гармонических составляющих позволяют количественно определить долю каждой отдельной со­ ставляющей (способ измерения звуковой частоты срав­ нением, резонансный способ) [Л. 228]. При помощи изме­ рительного моста Варнеке для определения коэффициен­ та амплитуды [Л. 229] значение последнего отсчитывает­ ся непосредственно по шкале. Наконец, форма кривой может быть снята генерирующим вольтметром по точкам или посредством синхронного контактного выпрямителя [Л. 230, 263]. В большинстве случаев коэффициент ампли­

туды имеет значение, отличающееся от У 2; вместе с тем, следует иметь-в виду, что у кривых, сильно отли­ чающихся от синусоиды, коэффициент амплитуды может

оказаться равным У 2. В этих случаях амплитудное напряжение нужно измерять непосредственно на стороне высокого напряжения испытательного трансформатора. Пригодные для этой цели схемы основаны на измерении выпрямленного тока через конденсатор или на измерении части переменного напряжения делителя напряжения после его выпрямления. Первый способ пригоден только для измерения коэффициента амплитуды периодических переменных напряжений, а второй может быть использо­ ван как для периодических, так и для однократных про­ цессов (пик-вольтметры).

а) Измерение амплитуд напряжения по Хубу и Фортескье

Если подключить конденсатор к источнику сину­ соидального напряжения U на выходе, то через него про­ текает переменный ток (зарядный ток)

Среднеарифметическое значение полупериодов заряд­ ного тока одной полярности, измеренное прибором маг­ нитоэлектрической системы, пропорционально амплитуд­ ному значению высокого напряжения. Измерить это сред­ нее значение можно при помощи схемы, изображенной на рис. 91. Здесь вентиль В1 служит для выпрямления за­ рядного тока, вентиль В2 пропускает зарядный ток ем-

105

кости во второй полуперйод, когда ток имеет противопо­ ложное направление. Предохранитель с инертным газом SF защищает выпрямитель и измерительный прибор А при возможных перегрузках. Если пренебречь внутрен­ ним сопротивлением выпрямителя в прямом направлении и падением напряжения на внутреннем сопротивлении

Рис. 91. Измерение амплитуды иаіпряжения mo Xjyбу и Фортескье.

амперметра, то среднее значение тока, протекающего по прибору магнитоэлектрической системы, будет равно:

772

= *'с(№

о

итогда

Вуравнениях предполагается, что амплитудные зна­ чения ^положительного и отрицательного полупериодов одинаковы. Кроме того, высокое напряжение в течение полупериода должно иметь только один максимум. Если же напряжение имеет более одного максимума за полу-

период (рис. 92), то зарядный ток (интервал времени ti—іг) изменяет свой знак и вентиль, включенный в ветвь с прибором, заперт. Ток, протекающий через конденса­ тор в течение интервала времени 11—ti, при вычислении

среднего значения /м не учитывается. Для того чтобы убедиться в отсутствии многомодальности кривой на­ пряжения, осциллографируют зарядный ток высоко-

106

вольтного конденсатора. В течение полупериода напря­ жения зарядный ток должен переходить через нул’ только один раз. При возникновении у испытуемого объекта сильных поверхностных и кистевых разрядов в кривой напряжения могут быть явно выражены ча­ стичные максимумы и минимумы, которые являются источником заметных погрешностей. Здесь весьма по­ лезным может оказаться демпфирующее сопротив­ ление Д между подводя­ щим проводом высокого напряжения и конденса­ тором, которое придает измерительному устрой­ ству свойства фильтра низких частот и поэтому при не очень сильных ча­ стичных разрядах устра­ няет погрешности, возни­ кающие из-за промежу­ точных максимумов. Верх­ ний предел значения демпфирующего сопро­

тивления вытекает из того требования, чтобы при частоте измеряемого напряжения с желаемой точностью соблю­ далось условие Д<^\/а>С. Численное значение погреш­ ности для определенной частоты может быть найдено

пряжение. Так как показания прибора магнитоэлектри­ ческой системы непосредственно пропорциональны ос­ новной частоте, то при этом способе измерения необхо­ димо одновременно измерять частоту.

В устройстве для измерения амплитудного напряже­ ния с цифровым выходом, разработанном Боеком [Л. 232], нет необходимости в отдельном измерении ча­ стоты (рис. 93). В схеме этого устройства зарядный ток, пропорциональный напряжению, преобразуется анало­ гово-цифровым преобразователем в среднюю частоту fCp, пропорциональную току, а отношение частот fCp/f изме­

107

ряется при помощи избирательной схемы и цифрового электронного счетчика. С избирательной схемы на вход счетчика подается в течение промежутка времени Аt = p/f установленное, число периодов переменного напряжения.

Рис. 93. Измерение амплитудных напряжений цифровым прибором.

За этот промежуток времени счетчик получает следую­ щее число импульсов:

п = fсрДг = p f- f = 2pCUmAR,

где А — постоянная аналогово-цифрового преобразова­ теля. Соответствующим выбором параметра R и числа периодов р можно получить показания непосредственно в кВ.

Устройство для измерения амплитудного напряжения по Хубу — Фортескье содержит высоковольтный изме­ рительный конденсатор и помещенные в экран выпря­ митель и прибор магнитоэлектрической системы. Кон­ денсатор и прибор соединены между собой длинным коаксиальным кабелем. Емкость кабеля оказывается подключенной параллельно выпрямителю и в зависи­ мости от его длины и желаемой точности ее следует учитывать при проведении измерений. В качестве изме­ рительной емкости обычно применяют масляные конден­ саторы, а при более высоких требованиях к точности измерений — конденсаторы под давлением инертного га­ за. В случае применения масляных конденсаторов их емкость должна быть не менее 100 пФ, чтобы снизить влияние места установки на их фактическую емкость (вследствие изменения распределенных емкостей по от­ ношению к земле). У конденсаторов под давлением

108

инертного газа, благодаря экранированной коаксиаль­ ной конструкции, значение емкости не зависит от места установки и расположения окружающих предметов. При применении устройства для измерения амплитуд­ ного напряжения необходимо соблюдение определенных условий, перечисленных в VDE 0433 [Л. 233]. Результи­ рующая погрешность для измерения амплитудного на­ пряжения по Хубу— Фортескье складывается из по­ грешности емкости, а также погрешностей измерения тока и частоты. При точных измерениях следует учесть еще погрешности, вносимые внутренними сопротивления­ ми выпрямителя и прибора, которыми мы до сих пор пренебрегали, а также влияние емкостей кабеля и экра­ на. Результирующая погрешность может быть ограниче­ на до 0,34% [Л. 232]. У производственных измеритель­ ных устройств результирующая погрешность обычно около 2%.

б) Пик-вольтметры для переменного напряжения

В принципиальной схеме пик-вольтметра, приве­ денной на рис. 94 [Л. .234, 235], измерительная емкость С м через выпрямитель В заряжается до амплитуды на­

пряжения на низковольтной части емкостного делителя

В

Рис. 94. Принципиальная схема изме­ рения амплитуды переменного напря­ жения пик-вольтметром.

напряжения. Напряжение Uzm, приложенное к измери­ тельному конденсатору С м , измеряется вольтметром

электростатической системы. Чтобы напряжение на за­ жимах вольтметра могло следовать за изменениями амплитуды измеряемого -напряжения, параллельно кон­ денсатору С м включено разрядное сопротивление Ям-

Если значение Ям слишком велико или это сопротивле­ ние вовсе отсутствует, то при снижении измеряемого

109