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

величины сопротивления от температуры и напряжения, при измерениях переменного напряжения возникает еще требование иметь по возможности малые угловые по­ грешности (например, при измерении ваттметром потерь мощности на корону).

Поясним сначала понятие угловой погрешности. Каж­ дое активное сопротивление, обтекаемое током, как из­ вестно, имеет в прилегающем к нему пространстве маг­ нитное и электрическое поля. На­ личие этих полей рассеяния в уп­ рощенной схеме замещения учи­ тывается последовательным со­ единением с идеальным активным

Рис. 71. Упрощенная сопротивлением R индуктивности схема замещения изме- £ а параллельно этому соедине-

ностью L чаще всего можно пренебречь, так как значение coL только при очень высоких частотах может быть такого же порядка, как и R, тогда как реактивное сопротивле­ ние 1/о)С у высокоомных сопротивлений делается замет­ ным уже на малых частотах. Если через высокоомное сопротивление протекает синусоидальный переменный ток, то между этим током и напряжением на зажимах сопротивления возникает сдвиг фаз, который у высокоом­ ных измерительных сопротивлений называют емкостной угловой погрешностью, равной

öc^ tg 6 с = соRC.

Аналогично у сравнительно низкоомных измеритель­ ных сопротивлений параллельной емкостью чаще всего можно пренебречь, тогда как величина соL влияет тем больше, чем меньше значение сопротивления. Соответст­ венно здесь определяют индуктивную угловую погреш­ ность, равную

6b~tg’ бL — (ÖL/R.

У сопротивлений, которые нельзя считать ни очень малыми, ни очень большими, нужно учитывать обе угло­ вых погрешности. Полное сопротивление двухполюсника, показанного на рис. 71, определяется по формуле

Z —(R-\-jwL)/(1—tfLC + jnRC).

Если предположить, что значение соL и аС очень ма­ лы, к чему стремятся при конструировании измеритель-

80

иых сопротивлений, то можно приближенно написать:

Z

Тогда угловая погрешность сопротивления

Из этой формулы видно, что соответствующим выбо­ ром размеров измерительного сопротивления можно све­ сти угловую погрешность к нулю. Это может быть до­ стигнуто при выполнении условия

L/C=iR2.

• Добавочные сопротивления для высоких переменных напряжений обычно делают очень высокоомными, так что их индуктивностью чаще всего можно пренебречь. Одна­ ко их угловая погрешность не может быть, определена по упрощенной схеме замещения рис. 71, так как необ­ ходимо учитывать распределенные емкости по отноше­ нию к земле (рис. 72). Из этой схемы видно, что значение высокого напряжения, определенное измерением тока, по­ лучается заниженным, так как амперметр не измеряет токи, ответвляющиеся в емкости по отношению к земле С'3. Эту погрешность легко учесть при градуировке из­ мерительного устройства. Угловую погрешность можно вычислить по известным формулам, если измерительное сопротивление рассматривать как цепную линию. По [Л. 122] угловая погрешность спирального сопротивления высотой h равна:

где JRi — погонное сопротивление, Ом/см; С' 3 — распреде­

ленная емкость по отношению к земле, Ф/см; Свит — рас­ считанная на длину 1 см межвитковая емкость, Ф/см. При малых диаметрах спиралей второй член в скобке мал по сравнению с дробью h2C'3/6 . Следовательно, угло­

вая погрешность очень мала, когда диаметр спирали ве­ лик, а ее высота мала. Есть еще и другая возможность уменьшения угловой погрешности: применение для изме­ рительного сопротивления Дт экранирующего сопротив­ ления Rg, которое выполнено в виде охватывающей его спирали. Экранирующее сопротивление включается па­ раллельно измерительному так, чтобы его ток не проте-

кал через прибор (рис. 73) [Л. 123]. При помощи уравни­

тельных сопротивлений Ry можно изменять потенциалы на концах экранирующего сопротивления по отношению к потенциалам измерительного сопротивления. Получаю­ щиеся таким образом емкостные уравнительные токи между экранирующим и измерительным сопротивления-

ми обеспечивают получение минимального значения угло­ вой погрешности [Л. 125].

Следует отметить, что влияние распределенной емко­ сти по отношению к земле может быть исключено при помощи нелинейного погонного сопротивления, сочетае­ мого с установкой высоковольтного экрана аналогично описанному в § 2-3,

б) Электростатические вольтметры

Принцип действия электростатического вольтметра, как из­ вестно, основан на действии сил электрического поля

ds ’

где W en — энергия, запасенная электростатическим полем, а s — па­

раметр, ее изменяющий.

82

Так, например, обкладки плоского конденсатора площадью S и расстоянием между ними s притягиваются друг к другу с уси­ лием, равным

Если укрепить электрод так, чтобы он был подвижным, то это усилие можно измерить при помощи соответствующего показываю­ щего устройства по отклонению возвратной пружины, соединенной с подвижным электродом. У электростатических вольтметров, приме­ няемых для измерений высоких напряжений, чаще всего подвижен не весь электрод, а только его небольшая поворачивающаяся пла­ стинка, которая находится в круговом секторе одного из двух элек­ тродов. Усилие пропорционально квадрату напряжения, поэтому киловольтметр электростатической системы измеряет действующее значение переменного напряжения. При измерении постоянного на­ пряжения отклонение электрода измерительного механизма не за­ висит от полярности. Расчет усилий по известным форме и разме­ рам электродов часто сопряжен с трудностями, так как емкость может быть точно определена только при сравнительно простых конфигурациях электродов. В тех случаях, когда для выбранного конструктивного исполнения (например, для устройства с охранным кольцом) можно точно определить емкость, электростатический вольтметр может быть применен в качестве прибора для измерения абсолютных значений, так как измерение высокого напряжения сво­ дится к измерению длин и усилий '[Л. 125—132]. Вследствие квад­ ратичной зависимости между усилием и измеряемым напряжением шкалы у электростатических измерительных приборов также полу­ чаются квадратичными. Применяя электроды соответствующей фор: мы, можно изменить характер шкалы и на небольшом отрезке сде­ лать ее равномерной.

Большое преимущество электростатических вольт­ метров состоит в том, что они очень мало нагружают измеряемую цепь. Такое требование ставится прежде всего при измерении напряжения маломощных источ­ ников постоянного напряжения, а также электростати­ ческих зарядов. Нагрузка на источники постоянного напряжения возникает только в момент заряда емкости вольтметра, подключаемого к цепи высокого напряже­ ния. Так как емкость вольтметра колеблется в преде­ лах 5—50 пФ, а сопротивление утечки при соответст­ вующем выборе изоляционных материалов может быть очень велико (порядка ІО13 Ом), то можно считать, что

электростатический вольтметр вообще не создает ни­ какой нагрузки на измеряемую цепь. Потребляемая реактивная мощность при измерениях переменного на­ пряжения, равная U2aC, должна учитываться только при очень высоких частотах.

Верхняя предельная частота электростатического вольтметра зависит от его конструкции и определяется собственным резонансом между индуктивностью подво­ дящих проводов и емкостью измерительного механизма, і?С-характеристикой цепочки из сопротивления возврат­

У одного из плоских электродов в центре сделано круг­ лое отверстие, в котором находится диск 3, укрепленный так, что он может поворачиваться. При приложении из­ меряемого напряжения на подвижный диск воздействует сила, направленная в сторону противолежащего плоско­ го электрода. Поворот подвижного органа фиксируется на шкале 4 при помощи зеркальца 5 и светового указа­ теля. Для демпфирования вибраций, возможных у под­ вижного органа, служат два воздушных успокоителя (не показаны). Отклонение подвижного диска настолько ма­ ло, что однородность электрического поля почти не на­ рушается. Подгонка диапазона измерения производится путем изменения расстояния между плоскими электро­ дами.

С увеличением расстояния между плоскими электро­ дами по отношению к их диаметру повышается чувстви­ тельность измерительного прибора к влиянию внешних полей и, так же как при заземлении одного из электро­ дов искрового промежутка, появляется эффект полярно­ сти [Л. 133]. При достаточно тщательной градуировке эти приборы имеют класс точности 1 ; большая точность

84

вследствие их высокой механической чувствительности вряд ли может быть получена в ближайшее время. Элек­ тростатические киловольтметры выпускаются для напря­ жений до 600 кВ *. При применении электростатических вольтметров для измерения высоких напряжений следует иметь в виду, что наибольшее значение напряжения, ука­ занное на шкале, иногда относится только к постоянному напряжению, так как при переменных напряжениях изо­ ляция киловольтметра испытывает воздействие, амплиту­ да которого при том же действующем значении напряже­

ния в | / " 2 раз больше, чем на постоянном токе.

Большое число работ посвящено повышению чувст­ вительности электростатических вольтметров. Так, напри­ мер, в приборе, предложенном Гейгером [Л. 128], измене­ ние емкости, возникающее при отклонении подвижного электрода, используется для расстройки колебательного контура. Расстройка влияет на анодный ток схемы гене­ ратора. После соответствующего усиления и выпрямле­ ния анодный ток, измеренный стрелочным прибором, является мерой высокого напряжения. Бенинг вместо подвижной пластинки вольтметра применил мембрану, отклонение которой может быть измерено с большой чув­ ствительностью при помощи пневматического показываю­ щего устройства, не находящегося под напряжением и

ском киловольтметре по Хветеру [Л. 135], подкупающем своей простотой, а также преимуществами при очень высоких напряжениях. С увеличением значений измеряе­ мых напряжений получать электрические поля опреде­ ленной формы делается все труднее. Затраты на экрани­ рующие кожухи для подавления короны вблизи измери­ тельного механизма оказываются слишком большими. Эти конструктивные трудности могут быть преодолены, если собственно измерительный механизм сделать боль­ ших габаритов — в виде шарового разрядника (рис. 75). Усилие, с которым притягиваются шары, может быть' оп­ ределено по формуле Томсона [Л. 250]. При напряжениях1

1 В СССР до 300 кВ. Прим, р е д.

85

Рис. 75. Электростатический вольтметр по Хветеру со световым указателем.

около 1 МВ механическое усилие имеет порядок кило­ граммов. Масляный успокоитель препятствует возникно­ вению механических колебаний. После арретирования подвижного шара киловольтметр можно использовать как обычный шаровой разрядник для измерения амплитуды напряжения.

12. ИЗМЕРЕНИЕ ДЕЙСТВУЮЩИХ ЗНАЧЕНИЙ ВЫСОКИХ ПЕРЕМЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

а) Емкостные добавочные сопротивления и делители напряжения

Как было показано в § 11, измерение высоких пере­ менных напряжений при помощи активного добавочного сопротивления сопряжено с известными трудностями изза распределенных емкостей по отношению к земле. Бо­ лее рационально при измерении переменных напряжений вместо активных добавочных сопротив­ лений применять емкостные (рис.

76). Высокое напряжение, подле­ жащее измерению, создает в из­ мерительном конденсаторе ток

86

напряжение содержит высшие гармонические составляю­ щие, то при измерениях возникают погрешности. Дей­ ствительно, действующее значение высокого напряжения равно корню квадратному из суммы квадратов действую­ щих значений основной и высших гармонических состав­ ляющих

u = V v \ + u l+ u l + ...+ul.

Основная гармоническая составляющая /Д создает ток іі = (і)іСѴі, третья гармоническая составляющая Uz— ток Ів—ЗацСОз, так как соз—Зсоі и т. д. Тогда общий ток

/ = ®,С /£ /? + 9U\ + 2 5 Ѵ\ + . . . + пѴ2л .

Как видно из этой формулы, наличие высших гармо­ ник нарушает прямую пропорциональность между дей­ ствующими значениями Д и / . Например если измеряе­ мое напряжение содержит 1 0 % пятой высшей гармони­

ческой составляющей, то измеренное значение тока по­ вышается на 12%. Поэтому емкостному сопротивлению следует предпочесть емкостный делитель напряжения (рис. 77). Высокое напряжение вычисляется по изме­

где Сі — емкость электростатического вольтметра и под­ водящего коаксиального кабеля.

Емкость электростатического вольтметра зависит от отклонения его подвижного электрода; однако из-за ее

87

Ёанйем на стороне низкого напряжения. Поэтому прй точных измерениях мостом Шеринга экран может быть подключен к потенциалу вершины моста для исключения паразитных емкостейПри измерениях только напряже­ ния оба экрана электрически соединяются между собой.

б) Емкостные измерительные трансформаторы напряжения

В противоположность рассмотренным ранее емкост­ ным делителям напряжения, низковольтная часть кото­ рых нагружена только электростатическим вольтметром или электроннолучевым осциллографом, емкостный транс­ форматор напряжения питает очень низкоомного потре­

бителя. Емкостные трансформаторы напряжения исполь­ зуются в высоковольтных электропередачах для подклю­ чения релейных устройств и измерительных приборов, общая мощность которых достигает сотен ватт. Соответ­ ственно емкость С1 у емкостных трансформаторов напря­

жения (рис. 78) имеет порядок тысяч пикофарад. Чтобы согласовать низковольтную часть делителя с низкоом­ ным потребителем, между емкостью низкого напряжения С2 и нагрузкой включают промежуточный трансформа­

тор Тр, коэффициент трансформации которого выбирают исходя из того, что напряжение на конденсаторе С2 рав­

но 10—30 кВ, а на нагрузке Z 60— 100 В.

88