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

нок 174 объясняет это на примере кабеля. Разряд в воз­ душном включении вызывает скачок тока и напряжения в месте дефекта, распространяющийся в виде двух бе­ гущих волн uw= Z üiil2, в противоположных направлениях

20

Рис. 174. Измерение частичных разрядов у испытуемого объекта с распределенными параметрами (на примере высоко­ вольтного кабеля).

(к концам кабеля). Напряжение на сопротивлении RM, если предположить, что емкость Сі в рассматриваемом диапазоне частот имеет по сравнению с RM пренебрежи­ мо малое сопротивление; может быть определено по формуле

им W — RM + ze Z°l2W-

Для случая, когда RM = Z0, эта формула упрощается:

—>- UM (t) =0,5Zoiz(t).

Показанная на рис. 174 бегущая влево волна, отра­ жаясь от конца кабеля с тем же знаком, возвращается

Рис. 175. Усовершенетвованная схема для наблюдения импульсов частичных разрядов в высоковольтном ка­ беле.

к сопротивлению RM после времени пробега т. При этом предполагается, что входное реактивное сопро­ тивление обмотки трансформатора в рассматриваемом

200

диапазоне частот велико по сравнению с волновым со­ противлением кабеля. Заметим, что индуктивное сопро­ тивление высоковольтной стороны испытательного транс­ форматора шунтируется емкостью обмотки, так что отражение падающей на левый конец кабеля волны про­ исходит не по режиму холостого хода, а по режиму ко­ роткого замыкания. Этого можно избежать, включив в цепь дроссель с малой емкостью (рис. 175). Посколь­

образующей хвост волны импульса частичного разряда тд (что может быть достигнуто выбором достаточно большой емкости С4), то между зарядом AQ2 и напря­

жением, падающим на сопротивлении R M , независимо от места разряда существует следующее соотношение;

т

о

В согласованном режиме, когда RM = Z0, это выраже' ние упрощается:

т

Изменение во времени напряжения на сопротивлении’ RM совпадает с изменением тока в импульсе частичного разряда k(t).-

Если отдельные разрядные импульсы в кабеле долж­ ны быть записаны на осциллографе по возможности без искажений, то выбирают RM = Z0 и замыкают кабель так­ же и на его левом конце на волновое сопротивление (рис. 175). Емкости С4 и С'4, а также их подводящие провода должны иметь малую индуктивность. Кроме то­ го, рекомендуется использовать способы подавления по­ мех, приведенные в гл. 1. Дроссель Др предотвращает шунтирование цепи со стороны источника напряжения паразитными емкостями.

При осциллографировании импульсов частичных раз­ рядов на обмотках трансформаторов вообще невозмож­ но согласовать волновое сопротивление кабеля, подклю­ чающего электроннолучевой осциллограф, с волновым

сопротивлением обмоток (порядка 1 кОм). Здесь в каче­ стве преобразователя полного сопротивления может быть полезен пробник с катодным повторителем или активное добавочное сопротивление.

Для определения местонахождения дефектов в кабе­ лях и обмотках разработано несколько способов. При малом числе дефектов это можно сделать по времени пробега импульса тока [Л. 368, 371].

Если определить измерителем радиопомех спектр частот импульса частичного разряда испытуемого объек­ та с распределенными параметрами, например, у обмот­ ки трансформатора, то обнаруживаются ярко выражен­ ные места резонанса, возникающего из-за отражения импульса у концов обмотки (предполагается, что обмот­ ка, п,о крайней мере, у одного конца не замкнута на вол­ новое сопротивление). По резонансным частотам можно рассчитать разницу времен пробега между первоначаль­ ным и отраженным импульсами и, тем самым, по извест­ ной скорости распространения определить место возник­ новения импульса. Максимум и минимум четко прояв­ ляются только тогда, когда ширина полосы частот изме­ рительного прибора примерно в 10 раз меньше, чем наи­ меньшая измеряемая частота. Подробные сведения по этому вопросу с результатами экспериментальных иссле­ дований можно найти в [Л. 423].

измерения разности времен пробега импульса от места разряда до зажима высокого напряжения и до заземля­ ющего зажима. Приходящие к обоим концам обмотки импульсы, вызванные частичным разрядом, подводятся к схеме сравнения. В ветви с меньшим временем пробе­ га находится регулируемая и градуированная линия за­ держки, используемая в роли компенсирующего элемен­ та. После уравнивания ею времен пробега можно отсчи­ тать разность времен пробега по ветвям обмотки. Если внутри обмотки возникают два или несколько мест раз­ ряда, то электроннолучевой осциллограф или устройст­ во для обнаружения совпадения времен показывает несколько максимумов. При небольшом их числе описан­ ный метод удовлетворительно обнаруживает местона­ хождение разрядов наибольшей интенсивности. Чтобы избежать отражений, испытуемый объект нужно с обо­ их концов замкнуть на волновое сопротивление. В киче-

203

стве преобразователя полного сопротивления между из­ мерительным проводом и обмоткой применяется катод­ ный повторитель.

г) Связь измеренных величин с характеристиками частичных разрядов

В зависимости от типа измерительного прибора, подключенного к сопротивлению RM, м о ж н о измерить форму и мгновенное значение импульса напряжения

им('0> ег0 амплитудное значение UM или интеграл

т

ного разряда в диэлектрике и величинами, измеренны­

приводится в сокращенном виде (см. табл. 2). В качест­ ве параметра служит отношение постоянной времени измерительного контура тм к постоянной времени фрон­

мированию этого импульса из двух экспонент [Л. 364]. В зависимости от геометрии мест повреждения отноше­ ние длины фронта к длине волны импульса может быть сравнительно мало, так что для правильного воспроиз­ ведения импульса частичного разряда окажутся необхо­ димыми три экспоненты (или более) [Л. 365]. Однако для характеристики рассматриваемых здесь разрядных импульсов достаточно иметь две постоянные времени.

Из табл. 2 видно, что в зависимости от измеритель­ ного контура величины UMm и uM(t) соответствуют са­ мым разным величинам тока частичного разряда k(t). Только интеграл J uM(t) dt за исключением двух случа­ ев всегда пропорционален заряду Дфг.

Для пересчета измеренных величин в характеристикичастичного разряда должны быть известны приведенные в табл. 2 данные измерительного контура. Так как эти данные не всегда бывают известны, передаточные функ­ ции целесообразно определять при помощи эталона ко­ роны по Рабусу [Л. 374] или градуированного генератора импульсов с применением соответствующих пересчетных

уравнений, приведенных в {Л. 371]. Экспериментальное определение передаточных свойств измерительного кон­ тура градуированнйм генератором дает поправочные коэффициенты, при помощи которых из измеренных зна­ чений величин импульса может быть подсчитана относи­ тельная сила частичных разрядов [Л. 371, 375, 380]. Оцен­ ка процесса старения на основании один раз измеренных параметров частичного разряда в настоящее время еще очень неточна [Л. 404] и необходимо еще много фунда­ ментальных работ прежде, чем можно будет сделать выводы.

д) Приборы для измерения величин частичных разрядов с помощью четырехполюсника связи

Для измерения напряжений на четырехполюснике применяют различные измерительные приборы. Их пока­ зания в зависимости от схемы могут быть пропорцио­ нальны максимальному, действующему или среднему арифметическому значению импульса напряжения. В за­ висимости от ширины полосы частот они делятся на се­ лективные и широкополосные приборы. Селективные (избирательные) приборы с узкополосным усилителем пригодны для испытуемых объектов, у которых спектр частот импульса напряжения вблизи измеряемой частоты имеет постоянную амплитуду. Измеряемые частоты ле­ жат в диапазоне 0,1—30 МГц. В качестве избирательного прибора часто используют измерители радиопомех [Л. 382—385]1.

Блок-схема прибора, рекомендуемого немецким стан­ дартом VDE для измерения радиопомех и используемого для измерения частичных разрядов {Л. 386], изображена на рис. 176. В контуре оценки 5 значение напряжения помех (электрическая величина) преобразуется в показа­ ние, которое воспринимается на слух (постоянная време­ ни контура оценки тг= 160 мс). Такая оценка не дает возможности точно оценить влияние разрядного импуль­ са на срок службы изоляции измеряемого объекта.

Результаты исследования зависимости показаний при­ бора для измерения помех по VDE 0876 от формы и частоты импульсов частичных разрядов опубликованы

1 Практический опыт измерения радиопомех освещен в книге:

204

в [Л. 387, 394, 406]. Чтобы преодолеть трудности оценки полученных результатов, были разработаны специальные приборы, при измерении которыми не используется оценка величины на слух [Л. 405]. В [Л. 389] описан прибор, который для любой формы импульсов измеряет дейст­ вующее значение разрядного тока, протекающего по че­ тырехполюснику связи.

В [Л. 390] описан разработанный Моле измеритель частичных разрядов, который позволяет определять ам-

Рис. 176. Упрощенная блок-схема селективного прибора для измерения частичных разрядов (прибор для изме­ рения напряжения помех по VDE).

Технические и эксплуатационное преимущество селек­ тивных приборов состоит в их большой чувствительности» которая достигается выбором комплексного четырехпо­ люсника связи с большим полным сопротивлением. Кроме того, избирательные приборы настроены на опре­ деленную полосу частот, что позволяет исключить посто­ ронние помехи, например, от радиопередатчиков, а также влияние собственных резонансов измерительных кон­ туров.

Это вполне возможно, так как спектр частот разрядно­ го импульса примерно до 1 МГц изменяется полого. Колебательный характер изменения спектра частот, опре­ деленный некоторыми авторами при помощи настраивае­ мого прибора для измерения радиопомех, часто опреде­ ляется не испытуемым объектом, а измерительным кон­ туром (неправильное согласование).

Другое преимущество селективных приборов со­ стоит в том, что полученные с их помощью в прошлые годы опытные данные на промышленных сериях позво­

205

ляют производить довольно точную оценку СОСТОЯНИЯ изоляции на продолжительный срок. Аналогичного об­

люсника связи применяют активное сопротивление с ма­ лой индуктивностью и большой нагрузочной способ­ ностью. Сигнал через фильтр верхних частот, предназна­ ченный для подавления низкочастотных зарядных токов, попадает на вход широкополосного усилителя. Если представляет интерес изменение по времени uM(t), то выходное напряжение широкополосного усилителя запи­ сывается. с экрана электроннолучевого осциллографа. По амплитуде и длине волны определяют импульсный заряд и затем, зная приложенное напряжение, вычисля­ ют энергию импульса разряда. Осциллограммы, помимо амплитудных значений им, дают информацию о распре­ делении импульсов разряда в течение периода перемен­ ного напряжения. При этом по.равномерности распреде­ ления (немного больших или много малых импульсов) можно сделать заключение об опасности разрядов. Кро­ ме того, фаза импульса разряда характеризует место возникновения разряда. Например, при коронирующем разряде у металлического острия в газе разрядные им­ пульсы всегда возникают на максимуме отрицательных и положительных полупериодов напряжения; импульсы же частичных разрядов появляются преимущественно при переходе напряжения через нуль, т. е. в области наи­ большего изменения напряжения du/dt [Л. 362, 387, 396, 397, 402]. Эта информация может быть дополнена сведе­ ниями о форме и распределении импульса, что позволяет уточнить место его возникновения.

Частота следования разрядных импульсов может быть определена электронным счетчиком [Л. 422]. Так как чувствительность последнего чаще всего регулирует­ ся, то счетчик позволяет одновременно различать ампли­ туды. Если должна быть измерена частота импульсов определенной амплитуды, выделяемых из большого числа различных импульсов, перед счетчиком включают анали­ затор амплитуд импульсов (рис. 177), принцип действия которого в упрощенном виде состоит в следующем. Посту­ пающий на вход амплитудного дискриминатора / импульс напряжения m(t) вызывает появление на его выходе сигнала, если амплитуда импульса больше установлен­

206

ного уровня срабатывания (базисная линия). Сигнал попадает на вход дифференциального усилителя и созда­ ет на его выходе 3 счетный импульс. Если амплитуда входного импульса- uo(t) превышает большое напряжение срабатывания амплитудного дискриминатора 2, т. е. вы­ ходит за выбранную ширину канала, то на его выходе возникает сигнал примерно такой же формы, как у дискриминатора /. Оба сигнала компенсируют друг друга, и счетный импульс не возникает. Если выбрать узкую ширину канала и смещать базисную линию, то

Рис. 177. Упрощенная блок-схема анализатора амплитуды импульсов.

1, 2 —.амплитудные дискриминаторы; 3 'T-

выхо д

таким образом можно довольно просто провести анализ амплитуд импульсов. Для получения точных результа­ тов счета, высокой разрешающей способности счетчика (несколько мегагерц) и достаточной ширины полосы ча­ стот возможно подключение предварительного усили­ теля; счетное устройство должно быть соответствующим образом согласовано с измерительной схемой.

Среднее арифметическое значение тока, образованное суммой всех коронных разрядов, можно после усиления и последующего выпрямления измерить прибором магни­ тоэлектрической системы. Сглаживание импульса из-за ограниченной ширины полосы частот усилителя не ока­ зывает влияния на результат измерения, так как пло­ щадь импульса остается неизменной [Л. 387-].

е) Другие способы измерения частичных разрядов

Недостаток способа измерения с четырехполюсником связи и схем по рис. 172 и 173 состоит в том, что в них в измерительную схему одновременно проникают как

2Q7

частичные разряды от источника испытательного напря­ жения, так и наружные коронные разряды от деталей испытательной установки, находящихся под высоким напряжением. При избирательном способе измерения можно устранить влияние разрядов, вызванных источни­ ком испытательного напряжения, включением в высоко-

Рис. 178. Измерение частичных раз­ рядов в полностью экранированной высоковольтной установке фирмы Мессвандлер Бау.

вольтные подводящие провода запирающего контура, настроенного на частоту измерения [Л. 388]. Испытатель­ ные трансформаторы с минимумом частичных разрядов и некоронирующие подводящие провода (специальные трубки Вестафлекс) значительно уменьшают затраты на подавление помех (рис. 178). При испытании силовых и измерительных трансформаторов эту проблему можно решить, если в качестве испытательного напряжения ис­ пользовать напряжение испытуемого объекта (испытание индуктированным напряжением).

К помехам, возникающим в испытательной установке, добавляются напряжения помех от соседних сильното­ чных установок и мощных радиопередатчиков, которые

208

МоЖно устранить соответствующим тщательным и эф­ фективным экранированием [Л. 325, 411] либо примене­ нием видоизмененного моста Шеринга [Л. 407], у которо­ го внешние напряжения помех исключаются в процессе уравновешивания. Другие исследования в этом направ­ лении описаны в [Л. 408]. Часто мостовые схемы исполь­ зуют также для раздельного определения основных потерь (от проводимости и поляризационных) и иониза­ ционных потерь [Л. 399, 400, 409, 410].

При осциллографировании изменения по времени тока потерь для подавления составляющей 50 Гц также при­ меняют мостовые схемы [Л. 399, 402].

Описанные здесь и в предыдущих разделах схемы основаны на электрической связи соответствующего изме­ рительного устройства с испытуемым объектом. В неко­ торых случаях полученные таким образом результаты при соответствующем опыте могут быть использованы для определения местонахождения разрядов. Например, определение местонахождения разрядов у больших тран­ сформаторов достигается путем одновременного измере­ ния исходящих из места повреждения электрических и акустических импульсов. Скорость распространения аку­ стических импульсов значительно меньше, чем у электри­ ческих импульсов. Измеряя разность времен пробега между акустическим импульсом, воспринятым ультра­ звуковым микрофоном и распространяющимся по прово­ ду электрическим импульсом, можно установить место дефекта [Л. 418, 419]. Другой способ определения место­ нахождения внутренних разрядов в обмотках трансфор­ матора — при помощи мостовой схемы, образованной из испытуемой обмотки и вспомогательных емкостей, описан в [Л. 421].

Уже в самом начале развития техники измерения ча­ стичных разрядов для обнаружения тлеющих разрядов и явлений искрообразования были использованы связан­ ные с ними электромагнитные поля. Так как напряжен­ ность поля помех с увеличением расстояния до источника помех уменьшается, местонахождение дефекта мѳжно определять при помощи антенны, реагирующей на элек­ трическую или магнитную составляющую поля, и супер­ гетеродинного приемника [Л. 383, 414—416]. Измерение напряженности поля помех позволяет в некоторых случа­ ях локализовать источник помех с точностью в несколько сантиметров (обмотки статоров генераторов, изоляторы).

209