Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Техника высоких напряжений учеб. пособие

.pdf
Скачиваний:
125
Добавлен:
27.10.2023
Размер:
28.86 Mб
Скачать

половин 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

Рис. 17.1. Схема включения ша­ рового разрядника:
И Т — испытательный трансформатор; Лз — защитное сопротивление транс­ форматора; R о — защитное сопротивле­ ние разрядника; ИО — испытуемыйобъект

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

0,5

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-) +

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

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ