Лекція2 методи вимірювань високих напруг і великих струмів

2.1 Загальні положення, методи вимірювань

До високих і надвисоких відносять

• напруги до 10 МВ;

• струми до 1…2 МА.

Ці напруги і струми можуть бути постійними, змінними (зазвичай з частотою 50…60 Гц) і імпульсними з тривалістю імпульсів від долей мікросекунди до кількох десятків мілісекунд (грозові і комутаційні імпульси). Вимірювання великих постійних струмів до 200…500 кА широко використовується в пристроях електролізу алюмінію. Великі змінні струми – до 150…200 кА присутні в потужних дугових електропечах. Вже зараз в державі експлуатуються лінії електропередач з напругою 1,2…1,5 МВ, проектуються лінії передач і енергетичні пристрої на більш високі напруги. У високовольтних досліджувальних установках напруги сягають кількох мегавольт. Струми в термоядерних установках сотень кілоампер.

В ряді випадків вимірювання доводиться проводити при наднизьких і високих температурах, наприклад в кріотурбогенераторах або кріомодулях літаків та ракет, при дослідженні плазменних і термоядерних джерел енергії.

Економічні міркування і вимоги оптимізації режимів роботи енергетичних об’єктів держави висувають задачу підвищення точності вимірювань великих струмів і високих напруг, яка зараз характеризується похибками 0,5…2,5% і вище. Для підвищення якості електроенергії необхідно знизити похибки робочих засобів вимірювань до 0,2…0,5%, а взірцевих – до 0,02…0,1%. Виконання цих вимог затруднюється громіздськістю струмопроводів для великів струмів, сильними електромагнітними завадами, що наводяться цими струмами і необхідністю ізоляції засобів вимірювань від високовольтних кіл.

Основні методи вимірювань великих струмів і високих напруг в залежност і від алгоритмів перетворювань розділяються на методи масштабного перетворення, електромеханічні, електромагнітні, електрофізичні та електрооптичні [1].

2.2 Вимірювання струмів і напруг методом масштабного перетворення

До цього методу відносяться вимірювання струмів і напруг з використанням масштабних перетворювачів (мп) – мір опору (шунти, вимірювальні резистори), добавочних резисторів, активних і ємнісних дільників напруги.

Вимірювання великих струмів

Вимірювання великих струмів грунтується на вимірювання спаду напруги на мірі опору при проходженні через неї вимірюваного струму. В якості мір опору для вимірювання великих постійних струмів (впс) застосовуються низькоомні чотиризатискачеві резистори з манганіну. Під’єднання такої міри до кола вимірюваного струму здійснюється за допомогою струмових затискачів, а спадок напруги знімається з потенціальних затискачів. Основними характеристиками такої міри є номінальний струм I_{1 ном}, номінальна вихідна напруга U_{2 ном} і опір міри, що являє собою взаємний опір чотириполюсника і визначається як R_м=U₂/I₁ при вихідному струмі I₂=0. Якщо спадок напруги між потенціальними затискачами визначається компенсаційним методом, то вимірювальний струм знаходиться з виразу I₁=U₂/R_м.

Найбільша допустима потужність вимірювальних резисторів з номінальними опорами 10^-4 і 10^-5 Ом як правило не первищує 100 Вт. Дійсне значення опору міри може бути виміряно з похибкою 0,002…0,005%. Але за рахунок температурної і часової нестабільності похибка вимірювання постійних великих струмів за допомогою таких мір на порядок вища, навіть при введенні поправок, що враховують залежність опору міри від температури. Для вимірювання ВПС застосовуються взаємозамінні калібровані шунти, номінальний спад напруги на яких нормується. Зазвичай спад напруги на каліброваних шунтах складає 60 або 75 мВ. Для роботи з самопишучими приладами в деяких випадках виготовляють шунти з номінальним спадком напруги 100, 150 або 300 мВ. Основними причинами зміни в часі електричного опору мір для вимірювання ВПС є нестібільність електричного опору манганіну, зміна перехідного опору в місці спаю резистивного елемента і наконечників, а також термо-ЕРС. Зміна опору манганіну, викликана механічними напругами при неправильному монтажі може бути в кілька разів більша за зміну опору від температури.

Через труднощі в створенні і повірці мір опору на ВПС в деяких випадках замість однієї міри на повний вимірюваний струм застосовують комбіновану міру опору, що складається з кількох паралельно включених мір опорів.

Метод паралельного з’єднання шунтів

Цей метод набув дуже широкого вжитку при вимірювання великих струмів. Метод проілюстровано на рис. 2.1. Потенціальні затискачі шунтів R_j з’єднуються в дві спільні точки за допомогою зрівноважувальних резисторів r_j та r _j’. Сумарний струм І визначається шляхом визначення різниці потенціалів між об’єднаними затискачами.

Згідно позначень рис. 2.1 можна скласти наступну систему рівнянь:

(2.1)

Розділивши всі члени рівнянь на R_j і просумувавши систему n рівнянь, отримаємо:

(2.2)

Зрівноважувальні резистори підбираються таким чином, щоб виконувались умови:

(2.3)

Рисунок 2.1 - Схема методу паралельного з’єднання шунтів.

О

Якщо спад напруги на паралельно включених шунтах вимірюється компенсаційним методом, то на основі першого закону Кірхгофа члени, до яких входить сума струмів, дорівнюють нулю!

скільки , то можемо записати:

.

Таким чином, вимірювальний струм в колі, складеному за методом паралельного з’єднання шунтів, визначатиметься як:

. (2.4)

Перевагою комбінованої міри є можливість повірки окремих шунтів, що до неї входять, при номінальних для них струмах. Похибка вимірювання ВПС таким методом досягає 0,4…0,5%.

З

Рисунок 2.2 - Схем шунтів для вимірювань ВЗС.

а допомогою шунтів можна вимірювати також великі змінні і імпульсні струми (ВЗС). Такі струми мають місце, наприклад, при дослідженні перехідних процесів у велеструмових електротехнічних пристроях, блискавиць, при вивченні фізики плазми і т. ін. На рис. 2.2, а показано схему вимірювання швидкозмінних струмів за допомогою шунта. Спад напруги на шунті u_ш(t) подається до осцилографа по коаксіальному кабелю з включеним на його кінці погоджуючим опором Z_п. Якщо опір шунта є чисто активним для даного діапазону частот, то u_ш(t)=R_i (t).

Однак, зазвичай крім активної складової опору R шунта слід враховувати також і його реактивну складову. Еквівалентну схему шунта представлено на рис. 2.2, б. Активний опір цього шунта як правило незначний (R=10^-5…10^-2 Ом), тому на точність вимірювання змінних струмів з частотою до кількох десятків мегегерц і імпульсних струмів основний вплив чинить індуктивність шунта, а його ємністю можна знехтувати.

Для зниження індуктивності шунтів вони виготовляються біфілярними і коаксіальними. Існують також коаксіальні шунти з водяним охолодженням. При вимірюванні за допомогою таких шунтів струмів частотою до 5 кГц похибка сягає не більше ±0,01%.

Вимірювання високих постійних і змінних напруг

Вимірювання високих напруг здійснюють за допомогою масштабних перетворювачів у вигляді добавочних резисторів і дільників напруги. Добавочний резистор з відомим опором включається послідовно з вимірювальним приладом. Цей метод достатньо простий і широко використовується для розширення меж вимірювання вольтметрів до кількох кіловольт. При вимірюванні більш високих напруг паралельно до вимірювального приладу і частини вимірювального резистора зазвичай включається розрядник, що захищає прилад від перенапруг.

Рисунок 2.3 - Добавочний опір

Для вирівнювання розподілу потенціалу на резисторі при перехідних процесах і зниження його постійної часу між окремими секціями добавочного резистора включають конденсатори (рис. 2.3). Для напруги до 100 кВ добавочний резистор можна виготовити у вигляді ланцюжка послідовно включених резисторів, розміщених у заповненому маслом гнучкому поліетиленовому шлангу, що має на кінцях екрани для захисту від корони.

Дільники напруги застосовуються для точних вимірювань високих постійних, а також імпульсних і змінних напруг. При вимірюванні високих постійних напруг головним чином використовуються резистивні дільники напруги – масштабні перетворювачі, обидва плеча яких виконано з резисторів. Коефіцієнт ділення такого дільника на постійному струмі рівний

, (2.5)

де R1 – опір високовольтного плеча з врахуванням опору джерела вимірюваної напруги, R2 – опір низьковольтного плеча з врахуванням опору вимірювального приладу, при чому R1>> R2.

Похибка дільників в основному обумовлюється нагріванням провідників і резисторів, струмами витікання, впливом коронних розрядів і зазвичай складає 1…2%. Однак, існують і більш точні дільники напруг з похибками порядку 0,1…0,01% для вимірювання напруг до 300 кВ. Найбільшого розповсюдження набули дільники, виготовлені з використанням мікродротяних та металоплівкових резисторів.

Рисунок 2.4 - Резисторний дільник напруги.

Резистивні дільники на порівняно невисокі напруги мають невеликі розміри, тому можна не враховувати їх розподілені ємності відносно землі (це неприпустимо для дільників на високі напруги, розміри яких значні). Еквівалентна схема такого дільника без врахування індуктивності його окремих елементів представлена на рис.2.4. Власні ємності С^’_з відносно землі погіршують частотні характеристики резистивного дільника. Ланка високої напруги дільника представляє собою n послідовно з’єднаних резисторів:

, (2.5)

де R1 – опір високовольтного плеча дільника. Кожен елемент дільника R1^’ шунтується ємністю С_п^’=nC_п, де С_п – поздовжня ємність високовольтного плеча. Для правильного запису осцилографованої напруги u₂(t) слід якнайточніше забезпечити рівність коефіцієнтів ділення складових дільників:

, (2.5)

де R1=n·R1^’; С_п=C_п^’/ n; R_екв і C_екв – відповідно опір і ємність низьковольтного плеча дільника з врахуванням параметрів вимірювального приладу (осцилографа) і з’єднувального кабеля.