
книги из ГПНТБ / Техника высоких напряжений учеб. пособие
.pdfполовин выбираются существенно различными. При этом на выходе установки генерируется импульс колебательного затухающего на пряжения, плавно нарастающего от нуля (как показано на рис. 16.17). Изменяя величины подключенных индуктивностей и соответственно частоты колебательных контуров, можно регулировать в широких пределах форму выходного импульса. Значительным преимуществом ■схемы ГАКИН является то, что индуктивности рассчитываются лишь на напряжение одной ступени генератора, а это существенно облегчает требования к их конструктивному выполнению. Дооборудование ГИН индуктивностями не представляет сколько-нибудь значительных кон структивных тр удностей.
Апериодические импульсы с большой длительностью фронта (не
сколько сот микросекунд) |
получают при разряде ГИН через большое |
фронтовое сопротивление |
на фронтовую емкость Сф также значи |
тельной величины. Однако при этом существенно снижается коэффи циент использования ГИН.
При использовании ГАКИН в режиме генератора апериодических импульсов его индуктивности шунтируются разрядными сопротивле ниями такой величины, чтобы обеспечить необходимую форму импуль са.
ГЛАВА XVII. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
ИИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
§17.1. ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Измерительные устройства, применяющиеся в лабораториях для измерения высокого напряжения промышленной частоты и постоянного (выпрямленного) напряжения, можно в зависимости от используемых физических явлений разделить на следующие группы:
1)измерительные разрядники;
2)электростатические приборы;
3)делители высокого напряжения в сочетании с измерительными устройствами низкого напряжения.
Непрерывное повышение номинальных напряжений линий элект ропередачи выдвигает все новые требования к измерительным устрой ствам, в частности к их точности. Повысился интерес к измерениям по терь, tg 6, емкости и особенно характеристик частичных разрядов в изоляционных конструкциях, интенсивно развиваются методы опре деления этих характеристик на высоких напряжениях. При этом, естественно, возрастают требования к точности измерения высокого напряжения, воздействующего на изоляцию непрерывно в течение длительного времени. В таких испытаниях применение измеритель ных разрядников исключается, так как погрешность измерения с их помощью превышает 3%, а также в связи с тем, что разряд приводит к короткому замыканию в цепи высокого напряжения и последующему отключению источника высокого напряжения.
При измерении высоких напряжений в физических лабораториях •требуется особенно высокая точность измерений (погрешность не
479
более 0,05%). Поэтому в лабораториях непрерывно совершенствуются! известные методы и разрабатываются новые для проведения более точных измерений.
Для измерения высоких импульсных напряжений, соответствую |
|
щих грозовым и коммутационным перенапряжениям, |
применяются: |
1) шаровые разрядники; 2) электронные осциллографы и пиковые |
|
вольтметры (в том числе цифровые) в ряде случаев совместно с дели |
|
телями напряжения. Современные электронные осциллографы позво |
|
ляют надежно записывать процессы, протекающие с большой скоро |
|
стью. Для записи кривой высокого напряжения, кроме того, требуется |
|
неискажающий делитель напряжения, над созданием |
которого рабо |
тают передовые лаборатории высоких напряжений.
§ 17.2. ШАРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ РАЗРЯДНИК
а. Общие требования
Шаровой измерительный разрядник весьма широко применяется в научно-исследовательских и промышленных лабораториях высокогонапряжения благодаря простоте устройства и приемлемой для прак тики точности, которую можно получить, соблюдая правильную мето дику измерения. Наличие в лаборатории шаровых разрядников различных диаметров обеспечивает измерение широкого диапазона нап ряжений, включая очень высокие, для которых изготовление вольт метров представляет большие трудности. Сущность измерения высо кого напряжения с помощью шарового разрядника заключается в том,, что разряд в слабонеоднородном поле между двумя шаровыми элек тродами в воздухе возникает при определенном напряжении с малым разбросом и малым запаздыванием. Разрядное напряжение зависит от расстояния между шарами, диаметра шаров и способа их включения.
С помощью шарового разрядника измеряется амплитудное значение напряжения. Величина напряжения, при котором произошел разряд между шарами, определяется в зависимости от расстояния между шара ми и диаметра шаров по специальным таблицам (см. ГОСТ 17512—72). Эти таблицы являются результатом тщательной обработки экспери ментальных исследований разрядных напряжений шаровых разряд ников в ряде лабораторий мира. Разрядное напряжение в газах зависит от давления, температуры и влажности, поэтому стандартные таблицы соответствуют нормальному давлению воздуха 760 мм pm. cm. и нормальной температуре 20° С. Влияние влажности воздуха на раз рядное напряжение в однородных полях при обычном ее изменении в- лабораториях ничтожно, поэтому таблицы его не учитывают.
В практике испытаний изоляционных конструкций применяется почти исключительно несимметричное включение, когда один из шароа заземлен (см. рис. 17.1). Эффект полярности при импульсных напря жениях возникает вследствие различия электрических полей у по верхностей шаров при таком включении, поскольку напряженность, поля на поверхности верхнего шара выше напряженности на поверх-
480
ностп нижнего шара. Это различие возрастает с повышением расстоя ния между шарами. Расхождение в значениях пробивных напряжений при различных полярностях также возрастает с повышением расстоя ния между шарами.
В таблицах отражен эффект полярности измеряемого напряжения, который относится только к импульсным напряжениям.
В случае измерения постоянного напряжения, когда оно при плав ном подъеме относительно медленно возрастает до пробоя, электричес кое поле втягивает в область разряда и на поверхность шара пылинки, всег да' присутствующие в окружающем воздухе. Эти пылинки создают мест ное усиление поля и вызывают преж девременные пробои при большем раз бросе в значениях разрядных напря жений. Поэтому при измерении посто янного напряжения рекомендуется пользоваться для обеих полярностей таблицей, дающей меньшее значение разрядного напряжения.
Для расстояний между шарами до 0,5 D таблицы дают значения разряд ных напряжений с погрешностью, не превышающей ± 3% . Значения таб личных разрядных напряжений для
расстояний от 0,5 D до 0,75 D не могут гарантировать указанную погрешность и поэтому приводятся в скобках..б
б. Методика измерения высокого напряжения
При измерении высоких напряжений с помощью стандартного ша рового разрядника (рис. 17.2 и 17.3) следует соблюдать ряд существен ных требований. Последовательно с шаровым разрядником необхо димо включать сопротивление R 0■При измерении напряжения постоян ного или промышленной частоты рекомендуется выбирать R0—0,1-г- -М Мом. Большая величина относится к более высоким напряжениям. Это сопротивление включается для предохранения поверхности шаров от оплавления и эрозии, а также для подавления высокочастотных колебаний. Эти колебания могут возникнуть при мощных частичных разрядах на испытуемом объекте или на соединительных шинах кон тура, образованного емкостями шарового разрядника и испытуемогообъекта и индуктивностью соединительной шины. Для переменных напряжений более высоких частот, когда становится значительным падение напряжения на сопротивлении вследствие емкостного тока через разрядник, величина сопротивления R 0 должна быть снижена примерно обратно пропорционально частоте измеряемого напряже ния.
Конструкция сопротивления R 0 должна обеспечивать отсутствие его перекрытия при пробое измерительного разрядника.
481
Измерительный разрядник следует располагать так, чтобы элект рическое поле между шарами соответствовало расположению измери
тельных шаровых |
разрядников, |
|||||||
использовавшихся |
в опытах, ре |
|||||||
зультаты |
которых |
|
приняты при |
|||||
составлении |
стандартных таб |
|||||||
лиц. |
Для |
этого |
в |
соответствии |
||||
с рис. |
17.2 |
и 17.3 |
следует |
вы |
||||
бирать |
значения |
|
расстояний |
А |
||||
и В в |
зависимости |
от диаметра |
||||||
шаров |
(табл. |
17.1). |
|
|
||||
Рис. |
17.2. Стандартный |
шаровой |
раз |
|||||
|
рядник |
вертикального типа: |
|
|||||
/ — поддерживающая |
изоляционная |
кон |
||||||
струкция; 2 — стержень, |
на который |
на |
||||||
сажен |
тар; |
3 — механизм |
управления и |
его максимальные размеры; 4 — провод вы* сокого напряжения с последовательно вклю ченным сопротивлением R 0\ 5 — экран для улучшения распределения поля н его мак симальные размеры; Р — точка новообразо
вания н«'і шаре высокого напряжения; |
А — |
|||
расстояние |
от точки Р до заземленной |
пло |
||
скости; |
В — радиус шаровой поверхности, |
|||
внутри |
которой не должны находиться по |
|||
сторонние |
предметы; |
D — диаметр |
шара; |
|
5 |
— расстояние |
между шарами |
|
Рис. 17.3. Стандартный шаровой разрядник горизонтального типа
(обозначения те же, что на рис. 17.2)
482
|
|
|
|
|
Т а б л и ц |
а 17 t |
Диаметр шара |
D, |
Расстояние |
А |
Наименьшее допустимое расстояние В |
||
|
|
|
|
|
||
см |
|
|
|
|
|
|
|
|
не менее |
не более |
при S C 0,5.0 |
0 ,5 0 < S < |
0,750 |
2-ь6,25 |
|
7D |
9D |
14S |
7D |
|
10-И5 |
|
6D |
8D |
12S |
6D |
|
25 |
|
5D |
7D |
10S |
5D |
|
50-Э75 |
|
4D |
6D |
8S |
4D |
|
100 |
|
3,5 D |
5D |
7S |
3,5D |
|
1504-200 |
|
3D |
4D |
6S |
3D |
|
Место присоединения подводящих проводов к шаровому разряд нику следует удалить от самого шара по меньшей мере на диаметр шара. Подводящие провода должны подходить перпендикулярно к оси разрядника или в лучшем случае отклоняться в сторону, противопо ложную искровому промежутку.
Прежде чем приступить к измерениям, необходимо дать несколько предварительных разрядов для приведения поверхности шаров, а также искрового промежутка в рабочее состояние. Рекомендуется повторять предварительные разряды до тех пор, пока не установится малый (±3% ) разброс в показаниях контрольного вольтметра испы тательного трансформатора. Разрядному напряжению, определенному из таблиц ГОСТ, соответствует среднее значение напряжения из трех последовательных отсчетов по контрольному вольтметру.
Если измерение производится в нестандартных атмосферных усло виях, то для получения истинного разрядного напряжения между ша рами необходимо ввести поправку к табличному значению в зависи мости от величины относительной плотности воздуха б, вычисляемой
по |
формуле (1.7). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Разрядное напряжение разрядника в нестандартных атмосфер |
|||||||||
ных условиях |
|
и р.„ = Ш ѵ, |
|
|
|
|
(17.1) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||
.где Uр—табличное разрядное напряжение; |
k— поправочный |
коэф |
||||||||
фициент, равный в |
зависимости от |
б: |
|
|
|
|
|
|||
|
б ...0 ,70 0,75 |
0,80 |
0,85 |
0,90 |
0,95 |
1,00 |
1.05 |
1,10 |
1,15 |
|
|
k . . .0,72 0,77 |
0,82 |
0,86 |
0,91 |
0,95 |
1,00 |
1,05 |
1,09 |
1,13 |
|
|
Для значений б в пределах |
от 0,95 |
до 1,05 коэффициент |
k « б; |
||||||
в этих пределах изменения б можно пользоваться для |
определения |
|||||||||
U |
формулой |
|
|
|
= |
|
|
|
|
(17.2). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I
При облучении разрядника 'несколько снижается его разрядное напряжение и заметно уменьшается разброс в отсчетах по вспомога тельному прибору. Поэтому в рекомендациях ГОСТа и МЭКа указы вается, что значения, данные в стандартных таблицах, применимы для
483
измерений, выполненных без облучения, за исключением следующих случаев: 1) измерений напряжений с амплитудой ниже 50 кв шарами любого диаметра; 2) измерений любых напряжений шарами с диамет ром 12,5 см и меньше. Для измерений при этих условиях, а также в случаях, когда требуется получить повышенную точность и малый разброс в результатах, рекомендуется дополнительное облучение. Это особенно важно при измерении импульсных напряжении и для всех видов напряжений при малых расстояниях между шарами.
Облучение осуществляется применением препаратов из радиоак тивных материалов, имеющих интенсивность не ниже 0,2 мкюри и предпочтительно 0,6 мкюри, помещенных в шар высокого напряжения вблизи от места разряда Р (см. рис. 17.2, 17.3). Можно также приме нять кварцевую ртутную лампу мощностью не менее 35 вт при токе не ниже 1 а. Лампа должна помещаться на расстоянии В (см. табл. 17.1), при этом свет должен падать на поверхность шара, где возни кает разряд.
в. Особенности измерения импульсного напряжения
При некоторых испытаниях, когда форма импульса напряжения является стандартной, можно ограничиться измерением только амп литуды напряжения. В таких случаях для измерений также исполь зуется шаровой разрядник. Амплитуды импульсного напряжения ре комендуется подбирать такой величины, при которой только часть приложенных к измерительному разряднику импульсов приводит к разряду между шарами.
Изменение вероятности пробоя между шарами от нуля до 100% происходит в сравнительно узком диапазоне изменения амплитуды прилагаемых к разряднику іШпульсов. Обычно опытным путем опреде ляют 50%-ное импульсное пробивное напряжение Н0і6.
Как было показано в § 4.4, для испытуемых объектов сснльнопеоднородным электрическим полем, как, например, для изолятора при
■50%-ном разрядном напряжении, пробой происходит всегда после максимума напряжения на спадающей части импульса типа грозовых перенапряжений (1,5/40 мксек). Последнее обстоятельство позволяет определить с помощью шарового разрядника U0.Б для объекта с неод нородным полем, если форма импульса напряжения близка к станда ртной.
При этих измерениях в испытательную цепь включают параллельно испытуемый объект и измерительный шаровой разрядник. Расстояние между шарами измерительного разрядника увеличивают до значения, при котором пробои между шарами не возникают. Затем подбирают такую амплитуду импульсного напряжения ГИН, при которой 50% импульсов дают перекрытия испытуемого объекта. После этого, не изменяя амплитуду импульсного напряжения L/max=const и не счи таясь с перекрытиями на испытуемом объекте, подбирают расстояние между шарами измерительного разрядника до величины, соответст вующей £/„,* для разрядника. Поскольку пробои между шарами про
■484
исходят вблизи максимума напряжения, перекрытия объекта не могут повлиять на измерения амплитуды напряжения шаровым разряд ником.
При измерении импульсных напряжений также приходится вклю чать защитное сопротивление R0. Это сопротивление включается, во-первых, для понижения крутизны среза напряжения при пробое разрядника, что имеет значение при испытании объектов, не допус кающих воздействий импульсов с крутым срезом, а во-вторых, для предотвращения колебаний в цепи шарового разрядника (особенно при большом диаметре шаров), создающих разность напряжений на испытуемом объекте и на измерительном разряднике. Величина со противления R0 при измерении импульсных напряжений не должна превышать 500 ом.
Расстояние между шарами и известный диаметр шаров позволяют определить по таблицам пробивных напряжений амплитуду импульс
ного |
пробивного |
напряжения между шарами, которое равняется |
(У0,5 |
испытуемого |
объекта. |
Для получения |
50%-ного импульсного пробивного напряжения |
на шаровом разряднике і/0,ъ необходимо расстояние между шарами (при (7max=const) или зарядное напряжение ГИН (при S = const) изменять ступенями — не более 2% от ожидаемого значения U0,5. На каждой ступени необходимо сделать шесть приложений импульсов с интервалом не менее 5 сек. Значение напряжения, дающее 50%-ную вероятность пробоя, определяется интерполяцией (например, графи чески на вероятностной бумаге) между двумя отсчетами расстояния или зарядного напряжения, причем один отсчет соответствует двум или одному пробою из шести приложений и второй отсчет — четырем или пяти пробоям.
Другой, менее точный, метод заключается в подборе расстояния или напряжения так, что происходит от четырех до шести пробоев между шарами из десяти приложений импульсов с неизменной ампли тудой. Предполагается, что в этом случае амплитуда импульсного напряжения соответствует значению Д0,в шарового разрядника и может быть определена из стандартных таблиц пробивных напряже ний. Значения пробивных напряжений, полученные из этих таблиц, соответствуют £/0|5 с возможной погрешностью, не превышающей 3% при выполнении условий, изложенных выше.
Пробивные напряжения измерительного шарового разрядника при импульсах с длиной волны менее 5 мксек превышают значения, при веденные в стандартных таблицах. Особенно заметное превышение пробивного напряжения наблюдается при предразрядных временах, меньших одной микросекунды. Отношения амплитуд пробивных на пряжений при предразрядных временах, меньших 2 мксек, к значению амплитуды при 2 мксек приведены в табл. 17.2. Эти соотношения дают возможность только ориентировочно определить пробивные напряже ния шаровых разрядников при малых предразрядных временах. Для точного определения пробивных напряжений в этих условиях необ ходимо пользоваться катодным осциллографом с делителем напряже ний, вносящим малую погрешность в измерения.
485
D, см |
Полярность |
+
6,25
_
+
25
+
200
|
|
Т а б л и ц а |
17.2 |
||
S |
Предразрядное время , |
.иксеіс |
|
||
D |
1 |
0,6 |
|
0,2 |
|
0,16 |
1,17 |
1,35 |
|
1,71 |
.• |
0,32 |
1,07 |
1,17 |
|
1,43 |
|
0,64 |
1,06 |
1,22 |
|
1,47 |
|
0,16 |
1,19 |
1,41 |
|
1,75 |
|
0,32 |
1,10 |
1,27 |
|
1,54 |
|
0,64 |
1,08 |
1,24 |
|
--- |
|
0,16 |
1,13 |
1,22 |
1 |
1,35 |
|
0,32 |
1,07 |
1,14 |
|
1,27 |
|
0,64 |
1,06 |
1,13 |
|
— |
|
0,16 |
1,18 |
1,35 |
|
1,61 |
|
0,32 |
1,12 |
1,19 |
|
1,39 |
|
0,64 |
1,08 |
1,23 |
|
— |
|
0,04 |
1,03 |
1,00 |
|
1,64 |
|
0,08 |
1,01 |
1,09 |
|
1,44 |
|
0,16 |
1,01 |
1,09 |
|
1,35 |
|
0,32 |
1,00 |
1,06 |
|
— |
|
0,04 |
1,03 |
1,16 |
|
1,75 |
|
0,08 |
1,03 |
1,17 |
|
1,57 |
|
0,16 |
1,04 |
1,15 |
|
1,42 |
|
0,32 |
1,01 |
1,09 |
|
|
|
§ 17.3. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ВОЛЬТМЕТРЫ
а. Общие сведения
Для прямого измерения высокого напряжения промышленной частоты или выпрямленного напряжения применяются главным обра зом электростатические вольтметры, в которых перемещение подвиж ной части вызвано механическими силами электрического поля.
Согласно уравнению Лагранжа
|
|
|
F = |
+ { d W eld g ) u = c o m t, |
|
(17.3) |
где F, |
g —обобщенная сила и обобщенная |
координата; |
W e = |
|||
= |
0,5(£/1— t/2)2C— энергия |
электростатического |
поля вольтметра. |
|||
|
От |
координат |
системы |
зависит емкость С конденсатора, |
следо |
|
вательно, сила |
F = (UJ -^ U£ , ас _ |
|
(17.4) |
|||
|
|
|
|
|||
В |
зависимости от |
способа |
изменения емкости С электростатические |
486
вольтметры можно разделить на две группы: 1) вольтметры с посту пательным движением подвижной части (системы А. А. Чернышева) и 2) вольтметры с вращательным движением подвижной части.
б. Электростатический вольтметр А. А. Чернышева
На рис. 17.4 показана схема этого вольтметра. Рабочими частями прибора являются два диска А и В. Диск А и его охранное кольцо С—С заземлены. К диску В прикладывается измеряемое напряжение;
Рис. 17.4. Электростатическим вольтметр А. А. Чернышева
при этом между дисками А и В возникает электростатическая сила F. При выходе коромысла из равновесия его конец N коснется контак тов /г, или k2 и стрелка гальванометра G при этом отклонится.
Уравновешивание силы F электростатического притяжения про изводится или с помощью гирь (абсолютный вольтметр), или с по мощью регулирования тока, определяющего взаимодействие между подвижной D и неподвижной Е катушками электромагнита. Сила притяжения F между дисками А и В определяется из уравнения {17.4), где C=&S/l (і — расстояние между дисками А и В). Имеем dC/dg=—dC/dl=ES/B и, следовательно,
F = |
. ^ = A 1(U1U2y. |
Сила взаимодействия между катушками D и Е пропорциональна произведению токов, протекающих в катушках, F - ^ A J J ^ Если катушки включены последовательно, то F1= A 2I ‘l. При равновесии, которое можно заметить по отсутствию отклонений гальванометра G, F=F1 и, следовательно,
£ / , - £ / * = V Ä J Ä J , |
( 1 7 . 5 ) |
т. е. искомая разность потенциалов прямо пропорциональна силе уравновешивающего тока, причем прибор измеряет действующее зна чение напряжения.
487
По конструктивным соображениям расстояние между дисками А и В нежелательно брать'свыше 30 мм. Естественно, что при этом приходится ограничиться сравнительно небольшим значением изме ряемого напряжения. Для повышения предела измеряемого напря жения акад. А. А. Чернышев помещал прибор в бак со сжатым воз духом: в результате предел измеряемого напряжения удалось по
высить до 250 кв, при этом погрешность измерений не превышала I 1ог
ZC 1 /0 .
в. Электростатические шаровые вольтметры
На том же принципе поступательного перемещения одной из обкла док высоковольтного конденсатора под влиянием механической силы электрического поля Соренсеном, Гобсоном и Рамо в Америке и Хютером в Германии были предложены способы измерения высокого на пряжения с помощью двух шаров. Их применение становится возмож ным, когда измеряемые напряжения составляют 100 кв и выше. При достаточно больших шарах можно измерять очень высокие напряже ния.
Сила F взаимодействия между шарами может быть вычислена с большой точностью по формуле
F = - |
R ( U , - U 2f |
1 — 0 , 2 2 0 1 8 3 0 , 0 3 4 1 1 6 ( | - ) 3 — |
|
|||
|
|
85 |
|
|
|
|
6R |
15R ) |
I n S |
+ |
(0,03693 — 0,009751-) (Щ + |
U%), |
(17.6) |
|
|
|
|
|
||
где Uj и U2— потенциалы |
шаров; R — радиус шара; S — расстояние |
|||||
между шарами. |
|
|
|
|
|
|
В опытах Соренсена, Гобсона и Рамо расположение шаров |
было |
|||||
горизонтальное |
(рис. 17.5). |
Неподвижный шар был изолирован и |
||||
находился под напряжением. |
Расстояние между шарами |
устанавли |
валось перемещением неподвижного шара посредством изолирован ного привода. Подвижный шар поддерживался на двух Ѵ-образных подвесах. При этом шар не мог перемещаться в направлении, перпен дикулярном оси поддерживающего стержня, и практически без вся кого усилия перемещался вдоль оси. При приложении напряжения подвижный шар удерживался в положении равновесия с помощью груза Р, действующего через шнур и блок (см. рис. 17.5). Положение равновесия определялось специальным указателем У. Суммарная погрешность, учитывающаятакже погрешность при наблюдении рав новесия прибора, не превышала +0,5% .
Несмотря на большие достоинства этого метода, использовавшегося для градуировки измерительных шаровых разрядников, применение его для технических измерений вряд ли можно признать целесообраз ным из-за сложности процедуры измерения. Отсутствие непосредст венного отсчета, уравновешивание при помощи гирь и наблюдение с помощью трубы создают значительные затруднения в измерениях при обычных на практике колебаниях напряжения.
Аналогичная конструкция электростатического шарового вольт метра была выполнена Хютером в Германии. Основной деталью вольт-
488