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

где о — ответвляемая часть реохорда S, и

С увеличением значения Сі результирующая точность измерений быстро уменьшается. При очень больших ем­ костях (конденсаторы фильтров, конденсаторные бата­ реи импульсных установок) полное сопротивление испы­ туемого объекта оказывается такого же порядка, как сопротивления подводящих проводов и контактов у под­ ключающих зажимов. Индуктивность и активное сопро­ тивление подводящих проводов могут существенно иска­ зить значения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь. Поэтому при измерении низких полных сопро­ тивлений следует иметь отдельные клеммы для цепи тока и потенциальных цепей. В этом случае можно рекомен­ довать двойной мост Кельвина [Л. 312].

170

в) Мост Шеринга для измерения больших значений t g ö

У моста, принципиальная схема которого дана на рис. 149, расширение предела измерения для больших значений tgö производится путем увеличения емкости С4. Чтобы избежать применения слишком большой декады емкостей в четвертом плече, регулируемая емкость С4 может быть заменена конденсатором постоянной емкости С4 и сопротивлением Ri, выполненным в виде реохорда

[Л. 308] (рис. 151). Расширение диапазона измерений осуществляется «суммированием» — добавлением под­ ключенных к Ri постоянных емкостей. Другой вариант моста Шеринга имеет двойное плечо [Л. 309]. Этот изме­ рительный мост уравновешивается по модулю спираль­ ным реохордом. Расширение диапазона измерений произ­ водится также суммированием, как в упомянутой выше схеме, что для больших значений tgö неудобно. Поэтому было предложено {Л. 311] параллельное соединение обо­ их спиральных реохордов в двойном плече преобразовать в последовательное соединение. Благодаря этому расши­ рение диапазона измерений осуществляется путем про­ стого умножения и, кроме того, шкала tgö получается линейной.

Расширение диапазона измерений tgö путем сумми­ рования или умножения посредством увеличения емкости Сі возможно не безгранично. Для значений tgö больше 1,5 эти схемы при уравновешивании теряют свойство схо-

171

димости [Л. 313, 330, 343]. Эту трудность можно преодо­ леть, если применить схему Рутлоха [Л. 313], изображен­ ную на рис. 152, у которой при уравновешивании хоро­ шая сходимость обеспечивается при значениях tgö от 1 до 10. В противоположность другим схемам мостов Шеринга здесь благодаря последовательному соединению сопротивления Ri и конденсатора С4 емкость испытуемо­ го объекта измеряется в параллельной схеме замещения, что дает большое преимущество, так как для больших значений tgö параллельная схема замещения лучше со­ ответствует природе потерь, чем последовательная.

г) Универсальный мост для измерения емкости и tgö

У описанного в [Л. 345, 347—349] универсального моста для измерения значений С и tg б удачно объедине­

полярности комплексного компенсатора можно измерять также и отрицательные значения tgö. В противополож­ ность мосту Шеринга универсальный мост измеряет ем-

172

кость и тангенс угла диэлектрических потерь по парал­ лельной схеме замещения. При автоматическом уравно­ вешивании оба переменных сопротивления Pf и необходимые для ручного уравновешивания, заменяются двумя такими же переменными сопротивлениями в двух самопишущих потенциометрах. Измерительный мост и самопишущий прибор образуют замкнутый контур регу­ лирования. Электронный нуль-индикатор дает отклоне­ ние регулируемой величины (рассогласование), а оба потенциометра создают сигнал, воздействующий на изме­ рительный мост; последний следует рассматривать как объект регулирования.

Диапазон измерения моста — от нескольких пикофа­ рад до нескольких тысяч микрофарад при значениях tgö ІО-5—5. Устройство для компенсации емкостей подводя­ щих проводов, возможность измерения изменения по времени тока потерь, встроенное устройство для измере­ ния амплитуды напряжения, а также дополнительный прибор для заземленного с одной стороны испытуемого объекта делают этот мост универсальным измерительным прибором.

д) Мост для измерения tg б с компаратором тока

Описанные ниже измерительные мосты основаны на принципе, использующем способ уравновешивания, пред­ ложенный еще в 1928 г. Первоначально предложенная схема для измерения полных сопротивлений была допол­ нена двумя элементами (Rz и Cz) [Л. 338, 339], которые позволяют производить непосредственный отсчет значе­ ния tgö (рис. 154). Основным элементом схемы этого моста является тщательно экранированный дифферен­ циальный трансформатор с минимальным рассеянием, состоящий из двух хорошо связанных друг с другом об­ моток Li и Lz (компаратор тока). При уравновешива­ нии числа витков обеих обмоток Wi и Wz плавно изменя­ ют до тех пор, пока их н. с. не будут взаимно скомпенси­ рованы:

I x W i — I j s f W z = Q .

Подключенный к обмотке LN нуль-индикатор изме­ ряет разностный поток и показывает тем самым состоя­ ние равновесия. Если подставить Ix=Ua>Cx и IN =

— U&CN (это справедливо только в том случае, если

173

предположить, что токи в обеих половинах моста опре­ деляются только значениями 1/соСлг и 1/ыСх ), получим:

Пренебрегая активными сопротивлениями обмоток катушек Ly и L2 и tg б образцового конденсатора CN, получим:

tg &x = a>R2C2.

Элемент RC, состоящий из сопротивления R2 и кон­ денсатора С2, дает возможность уравнивать также и фа­

практически имеют потенциал земли (при правильном выборе параметров дифференциального трансформатора падениями напряжений на активных сопротивлениях обмоток катушек Ly и L2 можно пренебречь). Поэтому параллельные паразитные емкости обмоток мало влияют

на равновесие. В качестве подводящих проводов к ис­ пытуемому объекту и образ­ цовому конденсатору при­ меняют обычные экраниро­ ванные провода. Схема не нуждается в дополнительных мерах по ликвидации вред­ ных емкостей по отношению к земле, что является су­ щественным преимуществом данного моста по сравнению с мостом Шеринга. К этому

же, как у моста Шеринга: при больших зарядных токах для третьего плеча используется наружный шунт. Испы­ туемый объект с очень большой емкостью может быть подключен к первому плечу через измерительный транс­ форматор тока (индуктивный шунт), как это рекомен-

174

дуется фирмой Гартман и Браун. Угловая погрешность измерительного трансформатора тока влияет па точ­ ность измерения tgö. Например, при угловой погрешно­ сти 0,5' значение tgö изменяется на 1,45-ІО-4. Другой возможностью расширения диапазона измерения являет­ ся применение каскадного соединения двух компарато­ ров тока [Л. 341]. При измерении значений tgö у очень больших емкостей, помимо необходимости расширения диапазона измерения емкости, возникает еще проблема подводящих проводов. Полные сопротивления конден­ саторов большой емкости могут быть при промышленных частотах порядка нескольких ом и поэтому нельзя пре­ небрегать полным сопротивлением подводящих прово­ дов и монтажа моста. В таких случаях у испытуемого объекта предусматривают отдельные зажимы для тока и напряжения и рассматривают его как четырехполюс­ ник, через входные зажимы которого протекает заряд­ ный ток, а между его выходными зажимами возникает неискаженное напряжение конденсатора (без учета воз­ можных падений напряжения вдоль токоподвода). По­ дробные сведения об исключении полных сопротивлений

>1 000 пФ) к низковольтным зажимам образцового кон­ денсатора у моста для измерения tgö с компаратором тока уже нельзя пренебрегать емкостями на землю, так как емкость С2 на рис. 154 тогда заметно увеличивается (емкость на землю подводящего кабеля включена па­ раллельно С2). Вредное влияние емкостей по отношению к земле устранено в схеме Кустера и Петерсона (рис. 155). Компенсация активной составляющей тока здесь осуществляется при помощи вспомогательного на­ пряжения, создаваемого операционным усилителем с обратной связью. Если предположить, что сопротивле­ ние на входе усилителя бесконечно велико, то сопротив­ ление на выходе равно нулю и тогда, если коэффициент усиления больше единицы, вспомогательное напряжение

передаточному отношению емкостного делителя напря­ жения, состоящего из конденсаторов CN и Сн. Вспомо­

175

гательное напряжение создает ток в регулируемой проводимости G?. Этот ток, протекая в обмотке L3 ком­ паратора тока, компенсирует составляющие тока, совпа­ дающие по фазе с напряжением, питающим мост. Тогда получаются следующие

условия равновесия:

W2

С х

w. tg8: “>Сң w2

Определенные по при­ веденным выше уравне­ ниям значения Сх и tgö справедливы для парал­ лельной схемы замеще­ ния.

По сравнению с опи­ санными ранее схемами мост по Кустеру и Петер­ сону имеет то преимуще­ ство, что при помощи вспомогательного напря­ жения UH можно опре­

делить форму кривой высокого напряжения, приложен­ ного к мосту. Подключенный к операционному усилите­ лю выходной трансформатор имеет отпайку от средней точки, так что вспомогательное напряжение может быть как с положительным, так и отрицательным знаком. Пу­ тем переключения концов обмотки выходного трансфор­ матора возможно измерение отрицательных значений tg б. Благодаря этому данный измерительный мост при­ годен также для градуировки измерительных трансфор­ маторов напряжения и для измерения потерь у катушек.

24. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ, ЭКРАНИРОВАНИИ И ЭЛЕМЕНТАХ МОСТОВ

а) Чувствительность

Чувствительностью моста для измерения tgö или емкости называют отношение наименьшего изменения этих параметров, которое может быть обнаружено нуль-

176

б) Образцовый конденсатор

В качестве образцового конденсатора Сг при высо­ ких напряжениях (более 20 кВ) чаще всего применяют конденсаторы под давлением инертного газа емкостью 30—200 пФ [Л. 315, 316], имеющие особо малый tgS (~Ю ~6). Принципиальная электрическая схема и ' кон­ струкция такого конденсатора пЬказаны на рис. 156,157.

Рис. 156. Конденсаторы под давлением инертного газа для напряжений 200, 300 и 500 кВ фирмы Гартманн и Браун.

Низковольтный электрод 2 почти полностью окружен высоковольтной обкладкой 1 и экранирует ее от влияния внешних полей. Подводящие провода к низковольтной обкладке экранированы (5) и проходят внутри электро­ проводной несущей трубки 3. Для получения высокой электрической прочности изоляционная трубка 4 запол­ нена технически чистым азотом или углекислым газом, под избыточным давлением 12—20 кгс/см2. В новых кон­ струкциях в качестве диэлектрика применяют элегаз (SFe). Добавочное заполнение газом из-за утечки его

178

через уплотнения и выпуск газа должны произво­ диться тщательно и в полном соответствии с инструкци­ ями изготовителя. Например, заполнение азотом не должно производиться слишком быстро, благодаря че­ му газ достаточно долго находится в сборнике с фильт­ ром (силикагель, Р2О5) и может

газа не изменяется. Изменение емкости от теплового удлинения электродов в первом приближении не оказы­ вает влияния на емкость [Л. 317]. Результаты исследова­ ния влияния напряжения на емкость конденсатора с на­ полнением инертным газом опубликованы в [Л. 318].

Электрическая схема образцового конденсатора с на­ полнением инертным -газом показана на рис. 158. Здесь