2.4 Измерение напряжений

Как указывалось, в процессе испытаний ЭА достаточно часто осуществляется измерение напряжений, отличающиеся не только по величине, но и ряду других параметров. Измерение низких напряжений (до 1000 В) осуществляется, как правило, непосредственным подключением регистрирующего прибора (осциллографа) к исследуемому объекту. При измерении высоких напряжений применяется два типа измерительных устройств:

1. Измерительные устройства, позволяющие непосредственно определить измеряемое напряжение: к данному типу устройств относятся электростатические вольтметры и измерительные разрядники;

2. Измерительные устройства, в которых используются измерительные преобразователи, т.е. устройства, позволяющие согласовывать обычный измерительный прибор с измеряемым напряжением; основными типами измерительных преобразователей, широко используемыми в испытательных установках, являются: индуктивные и емкостные трансформаторы напряжения, добавочные резисторы, измерительные конденсаторы, делители напряжения и т.д. Рассмотрим некоторые из них:

Шаровые измерительные разрядники получили широкое распространение в испытательных установках для проведения испытаний электрической изоляции ЭА. С их помощью осуществляется настройка испытательной схемы на нужную величину испытательного напряжения. Они служат также в качестве защитных устройств от внезапного повышения напряжения. Принцип измерения напряжения с помощью измерительных шаровых разрядников основан на сравнении приложенного напряжения с разрядным напряжением между шарами стандартных размеров, которое заранее известно. При измерении постоянного и переменного напряжения шары измерительного разрядника, предварительно установленные на расстоянии несколько больше ожидаемого разрядного расстояния, сближают до возникновения между ними разряда. В этот момент регистрируется расстояние между шарами, по которому определяется величина измеряемого напряжения. Аналогично измеряется амплитуда импульсных напряжений. При изменении расстояния между шарами к разрядному промежутку с определенной частотой прикладывается измеряемый импульс и в момент разряда фиксируется расстояние между шарами. Для устранения колебательных процессов в измерительную цепь включается демпфирующий резистор.

Трансформаторы напряжения (ТН) получили широкое распространение в качестве измерительных преобразователей устройств релейной защиты и автоматики. Они осуществляют преобразование высокого напряжения в напряжение, удобное для измерения. Основным их достоинством является полная гальваническая развязка измерительного устройства. Однако, как показал опыт использования ТН в качестве измерительных элементов испытательных установках, их применение возможно лишь с учетом ряда условий:

1) Магнитопровод в течение всего цикла испытаний не должен насыщаться, поэтому следует применять ТН на более высокие классы напряжения.

2) Номинальная частота ТН должна быть не менее чем в 2 раза ниже частоты измеряемого напряжения.

3) Импульсные напряжения, а также напряжение на дуге передаются ТН со значительными искажениями, поскольку содержат широкий спектр гармоник, передаваемых с различными погрешностями. При этом значительно усиливаются гармоники, частоты которых близки к резонансной.

Учитывая указанные (довольно жесткие) условия использование ТН в испытательных установках ограничиваются, как правило, измерением напряжения синусоидальной формы при относительно невысоких частотах. В частности, точное осциллографирование напряжения на дуге с помощью ТН невозможно, поскольку оно содержит резонансные гармоники, возможно лишь определение качественной картины процесса.

Делитель напряжения (ДН): получили широкое распространение в испытательных установках, поскольку обеспечивают достаточно высокую точность при измерениях высоких и импульсных напряжений. ДН представляет собой масштабный измерительный преобразователь, осуществляющий уменьшение измеряемого напряжения в некоторое число раз, называемое коэффициентом деления: , где U₁ – измеряемое напряжение; U₂ – напряжение, подаваемое на регистрирующий прибор.

Основным недостатком ДН является наличие гальванической связи измеряемой цепи с измерительным устройством. Поэтому для обеспечения безопасности испытательной установки одна из точек схемы измерительного устройства должна быть заземлена. Если одна из точек исследуемого объекта заземлена, используется одноплечевая схема ДН, если исследуемый объект не имеет заземленных точек - используется двухплечевая схема. ДН содержит низковольтное плечо Z₂, к которому присоединяется регистрирующий прибор (точки 3-4) и высоковольтное плечо Z₁, подключаемое к исследуемому объекту (точки 1-2). Основным требованием, предъявляемым к измерительному устройству в целом, является неискажающая передача измеряемого напряжения от исследуемого объекта к РП. Это возможно лишь при точном подобии части схемы, находящейся под высоким напряжением и измерительной ее части. Однако в реальных измерительных устройствах этого достичь невозможно, поскольку измерительное устройство помимо ДН и РП они содержит соединительные провода, линии передачи, экранирующие и согласующие элементы. Таким образом, одной из основных задач создания измерительного устройства является обеспечение минимальных искажений измеряемого напряжения.

Не менее важным требованием к измерительным схемам с ДН является отсутствие влияния на исследуемый процесс. Например, при измерении восстанавливающегося напряжения на контактах, недостаточно высокое входное сопротивление и большая входная емкость ДН может привести к существенному искажению его параметров. Как показала практика исследований, ДН практически не влияет на процесс восстановления напряжения, если его входное сопротивление не менее 100 кОм, а входная емкость не превышает 10…15 пФ.

Выбор того или иного ДН для измерительных устройств определяется параметрами измеряемого напряжения. Основными типами ДН, используемыми в измерительных устройствах высокого напряжения, являются:

• Омические ДН, в которых оба плеча представляют собой активные сопротивления; основным видом искажения омических ДН является сглаживание фронта (реакция на скачкообразное изменение измеряемого напряжения носит, как правило, апериодический характер). Частотные характеристики измерительных устройств с омическими ДН имеют характерные "завалы" в области высоких частот, поэтому используются, главным образом, для измерения постоянных и низкочастотных напряжений.

• Емкостные ДН, в которых оба плеча представляют собой емкостные сопротивления. Основным видом искажения емкостных ДН является выбросы напряжения (реакция на скачкообразное изменение входного напряжения носит, как правило, колебательный характер). Частотные характеристики имеют "завалы" в области низких частот, поэтому используются для измерения напряжений высокой частоты, и нашли применение в наносекундной импульсной технике. Основным недостатком измерительных устройств с емкостными ДН является недостаточная выходная мощность для отклонения шлейфа осциллографа, а также влияние на исследуемый процесс (например, частоту восстанавливающегося напряжения), поэтому в испытательных установках высокого напряжения емкостные ДН в чистом виде применяются редко.

• Емкостно-омические ДН получили широкое распространение в испытательных установках (для коммутационных испытаний), поскольку обеспечивают достаточно высокую точность передачи измеряемого напряжения в широком диапазоне частот.

Схема регистрации напряжения с емкостно-омическим ДН имеет следующий вид: схема содержит элементы С₁, С₂, R₁, R₂, выбираемые исходя из заданного коэффициента деления , где r₁, r₂ – т.н. демпфирующие резисторы, предназначенные для ограничения токов при срезах напряжения; – волновое сопротивление линии, где L₀, C₀ – погонная индуктивность и погонная емкость линии, соответственно; r_с – согласующий резистор.

Сопротивление низковольтного плеча R₂ обычно выбирают как минимум на 2 порядка меньшим волнового сопротивления линии. Его емкость С₂ обычно выбирают в 50–100 раз большим емкости линии С₀l. Сопротивление демпфирующих резисторов ДН обычно выбирают из условия: r₂ << Z_л (как минимум на два порядка).