Техника и технологии высоких напряжений

www.gt-e.ru- электростатическое распыление, высоковольтные источники, дефектоскопия труб

• Список форумов‹Высоковольтные источники питания (ВИП)‹Техника высоких напряжений
• Изменить размер шрифта
• Версия для печати

• Новости
• Блоги
• Мой блог
• FAQ
• Регистрация
• Вход

Способы измерения высоких напряжений.

Способы измерения высоких напряжений.

gt-e » 01 фев 2010, 20:09

Высокое напряжение недостаточно получить, его необходимо измерять. Методы измерений высоких напряжений несколько отличаются от традиционных, применяемых для низких напряжений.
Основные способы измерения высоких напряжений:
1. Измерительные разрядники
2. Электростатические вольтметры
3. Измерение высокого напряжения с использованием индукции зарядов
4. Измерение с помощью делителей напряжения
5. Измерение импульсных напряжений

1. Измерительные разрядники

Такой способ измерений имеет очевидные недостатки, не позволяет производить измерения непрерывно. Условия, при которых достигается достаточно точная воспроизводимость пробоя, определяется, в первую очередь, формой электродов. Необходимо стремится к однородному или квазиоднородному полю в разрядном промежутке. Примером такого измерительного разрядника может служить шаровой разрядник, у которого разрядный промежуток много меньше диаметра шаров. Шаровые разрядники достаточно хорошо описаны в литературе. Для них можно найти таблицы пробивных значений, различные поправочные коэффициенты.

2. Электростатические вольтметры

Если между двумя металлическими электродами существует электрическое поле, то на электроды действует сила притяжения. Эта сила создает давление на поверхность электродов. Для плоского конденсатора эта сила пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Следовательно, измеряя эту силу, можно измерять высокое напряжение. Такие измерители называются электростатическими вольтметрами. Известны примеры изготовления электростатических вольтметров на напряжение до 1000 кВ с точностью до 0,1%. На напряжения до 100 кВ электростатические вольтметры производятся серийно. Примером может служить киловольтметр С196 предназначенный для измерения постоянного и переменного напряжения до 30 кВ при основной погрешности ± 1.0% от конечного значения диапазона измерений.

3. Измерение высокого напряжения с использованием индукции зарядов
4. Измерение высоких напряжений с помощью делителей напряжения

Делители для измерения высоких напряжений бывают резистивными, емкостными и комбинированными. Часто, они состоят из большого числа однотипных элементов. Общая схема замещения таких делителей представлена на рис.1

Она состоит из n числа продольно включенных элементов Zpr. Продольные элементы делителя Zpr, обычно, резисторы или (и) конденсаторы, к которым приложено высокое напряжение U1. В схеме учтены и паразитные параметры продольных элементов. В схеме равномерно распределены поперечные сопротивления Zpp, учитывающие, например, распределенную емкость делителя на землю и другие элементы конкретной конструкции делителя.
Выходное напряжение U2 много меньше входного напряжения U1 и снимается с последнего элемента этой схемы.
Коэффициент деления такого делителя определяется числом звеньев делителя.
В общем случае, коэффициент деления при измерениях N = U2/U1 не равен числу звеньев делителя n, так как в схеме могут присутствовать другие элементы измерительной системы.
Суммарное поперечное сопротивление такого делителя можно рассчитать по формуле

Но, приведенные формулы справедливы, если все звенья высоковольтного делителя напряжения одинаковы.
Очень часто, конструктивное исполнение высоковольтного плеча отличается от конструктивного исполнения низковольтного плеча. В результате расчет усложняется. Для расчета таких делителей удобно использовать программы для моделирования электронных схем, например, LTspice (SwCAD) — свободно распространяемую программу Linear Technology http://www.linear.com/designtools/software/ltspice.jsp .

При использовании делителей, если конструкция может позволить, целесообразно рассматривать не только стандартный вариант, когда измерительный резистор находится в низковольтной части. Возможен вариант, когда измерительный резистор делителя целесообразно размещать в высоковольтной части делителя напряжения для получения оптимальной частотной характеристики.

4.1 Омический делитель напряжения

Схема замещения омического делителя для измерения для измерения постоянного, переменного и импульсного напряжений показана на рис.2

Источник

Измерение больших токов и высоких напряжений

Измерение постоянных токов до 6000 А обычно производится при помощи приборов магнитоэлектрической системы с шунтами.

Шунты на большие токи становятся громоздкими, тяжелыми и дорогими, так, например, шунт типа 75ШС 6000 А весит 24 кг. Кроме того, применение шунтов на большие токи не обеспечивает достаточной точности и мощность потерь в них велика, например, в упомянутом шунте при номинальном напряжении 75 мВ мощность потерь 6 000 А х 0,075 В = 450 Вт. Поэтому для измерения больших постоянных токов применяются трансформаторы постоянного тока, которые изготавливаются на номинальные первичные токи от 7,5 до 70 кА при вторичном токе 5 А.

Как и в цепях переменного тока, первичная обмотка включается в цепь измеряемого тока (в рассечку проводника), вторичные же обмотки подключаются к источнику синусоидального напряжения последовательно с нагрузкой. В них наводится ЭДС, значение которой зависит от первичного тока. Ток вторичной цепи пропорционален первичному току, если сопротивление нагрузки намного меньше индуктивного сопротивления обмоток.

Схема трансформатора постоянного тока дана на рис. 2.

Трансформатор постоянного тока состоит из двух одинаковых замкнутых сердечников, на каждый из которых наложено по две обмотки. Сердечники изготовлены из пермаллоя.

Измеряемый постоянный ток проходит по первичным обмоткам, соединенным последовательно. Две вторичные обмотки, соединенные между собой последовательно (или параллельно), через выпрямитель присоединяются к источнику питания с переменным напряжением.

Вторичные обмотки соединены так, что в течение первого полупериода переменного тока i 2 вторичная н. с. i2w2 в первом сердечнике имеет встречное направление по отношению к первичной н. с. i 1w2 1 а во втором сердечнике направления первичной и вторичной н. с. совпадают. В течение второго полупериода, наоборот, в первом сердечнике направления н. с. совпадают, а во втором они будут иметь встречные направления.

Рис. 2. Схема измерительного трансформатора постоянного тока

При наличии постоянного измеряемого тока в первичной цепи трансформатора тока во вторичной цепи будет проходить переменный ток с прямоугольной формой кривой, а в диагонали мостовой выпрямительной схемы, в которую включен измерительный механизм, будет проходить постоянный ток. Изменение величины измеряемого тока вызовет изменение первичной н. с. F= i1 wl.

Измеряя вторичный ток и умножая его на действительный к оэффициент трансформации, получим действительное значение первичного тока.

Рис. 3. Характеристики трансформатора тока: а — кривая намагничивания; б — кривая тока во вторичной цепи; в — кривая тока в измерителе.

Измерение больших переменных токов, как правило, производится амперметрами электромагнитной, ферро-динамической, электродинамической систем, включаемых через измерительные трансформаторы тока, которые изготавливаются на номинальные первичные токи до 25 кА.

Применяющееся в некоторых случаях включение амперметров непосредственно в рассечку проводов или шин (без трансформаторов тока) при напряжениях в цепи выше 500 В должно быть выполнено так, чтобы обеспечивались безопасность обслуживания и удобство наблюдения за показаниями прибора. Амперметры в таких случаях часто изолируются от земли путем установки их на изоляторах.

В цепях высокого напряжения независимо от рода тока и частоты надо стремиться включать амперметр в участок цепи с потенциалом, равным или близким к потенциалу земли, потому что в противном случае создается опасность для экспериментатора и обслуживающего персонала, могут возникать дополнительные погрешности от электрического поля, создаются неблагоприятные условия для работы изоляции прибора, которая в этом случае должна находиться в соответствии с рабочим напряжением измеряемой цепи.

В высоковольтных цепях постоянного тока напряжение можно измерять:

1) вольтметрами магнитоэлектрической системы, которые изготавливаются на номинальные напряжения до 6 кВ,

2) вольтметрами электростатической системы, которые изготавливаются на номинальные напряжения до 100 кВ,

3) применяя измерительные трансформаторы напряжения постоянного тока.

На рис. 4 дана схема измерительного трансформатора постоянного напряжения. Первичные обмотки трансформатора, соединенные последовательно с добавочным сопротивлением, подключены к измеряемому напряжению. Вторичные обмотки, соединенные параллельно, через выпрямитель присоединяются к источнику питания с переменным напряжением. В диагонали выпрямительной схемы включен измерительный механизм.

Рис. 4. Схема измерительного трансформатора постоянного напряжения

Рис. 5. Электростатический киловольтметр

В цепях высокого напряжения переменного тока измерение напряжения, как правило, производится вольтметрами с номинальным напряжением 100 В, включаемыми через измерительные трансформаторы напряжения. В этом случае, с одной стороны, отпадают трудности изготовления приборов непосредственно на высокое напряжение, с другой — устраняется опасность для обслуживающего персонала при работе с измерительными приборами, присоединенными непосредственно к проводам высокого напряжения.

В высоковольтной технике для измерения высоких напряжений часто пользуются специальными электростатическими вольтметрами, шаровыми разрядниками, электронными осциллографами. Два последних из указанных приборов применяются преимущественно для измерения импульсов напряжения.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

3.4. Измерение высоких напряжений

3.4.1. Шаровые разрядники

Для измерений высоких напряжений широко используются шаровые разрядники. Это универсальное измерительное устройство, которым можно измерять амплитудные значения постоянного, переменного, высокочастотного и импульсного напряжений.

Величина пробивного напряжения зависит от расстояния между шарами, их диаметра, способа подключения (симметричное или один шар заземлен), относительной плотности воздуха δ .

Для получения высокой точности необходимо выполнить ряд усло-

1. Расстояние между шарами не должно превышать S ≤ 0,5 D , где D – диаметр шаров. Следовательно, для широкого диапазона измеряемых напряжений нужен набор шаров разного диаметра.

2. Поверхность шаров должна быть гладкой и чистой. Слой пыли снижает пробивное напряжение.

3. Расстояние от шаров до заземленных или находящихся под напряжением предметов должно быть не менее L > 5 D .

4. Для получения стабильных результатов измерений необходимо облучение разрядного промежутка ультрафиолетовым излучением или радиоактивными изотопами, особенно при малых расстояниях между шарами.

5. Измерение следует производить 4–5 раз и за измеренную величину принимать среднее арифметическое значение, т. к. имеет место статистический разброс пробивных напряжений.

Измерение постоянных и переменных напряжений производится следующим образом. Вначале устанавливается заведомо большое расстояние между шарами, исключающее пробой при измеряемом напряжении. Затем на шаровой разрядник подается напряжение, и расстояние между шарами плавно уменьшается до возникновения пробоя промежутка. Эта процедура повторяется 4–5 раз. Определяется среднее пробивное расстояние, затем по таблицам находится соответствующее напряжение.

При измерении амплитуды импульсного напряжения за пробивное расстояние между шарами принимают такое, при котором половина поданных импульсов, приложенных к разряднику, вызывает пробой про-

межутка, а половина – нет. Это напряжение называют 50 %-м пробивным напряжением. Величину пробивного напряжения определяют из таблиц по полученному пробивному расстоянию.

При измерении пользуются градуировочными таблицами, дающими связь пробивного напряжения с диаметром шаровых электродов и расстоянием между ними. В таблицах даны амплитудные значения пробивного напряжения. Таблицы Международной электротехнической

комиссии (МЭК) составлены для нормальных атмосферных условий

( Р = 760 мм рт. ст. и T = 20 о С).

Значения пробивных напряжений в зависимости от расстояния между шаровыми электродами для разных диаметров шаров приведены в приложении 3, табл. П3.1 и П3.2.

В тех случаях, когда измерения проводятся в условиях, отличных от нормальных, вводится поправка на относительную плотность воздуха δ. Тогда искомое значение напряжения будет равно

где U т – табличное значение пробивного напряжения;

δ = 0,386 Р /(273 + T ),

где Р и T – соответственно давление в мм рт. ст. и температура в градусах Цельсия окружающей среды при проведении измерений.

Для получения необходимой точности измерений необходимо выполнять требования, предъявляемые к установке шарового разрядника в пространстве, как указано в приложении 3, в табл. П3.3 и на рис. П3.1.

Кроме шаровых разрядников, имеется еще целый ряд устройств и приборов для измерения высокого напряжения.

3.4.2. Электростатические вольтметры

Рассмотрим наиболее широко применяемые электростатические вольтметры.

Электростатические вольтметры измеряют действующее значение напряжения. Принцип действия основан на механическом перемещении одного из электродов вольтметра под действием электростатических сил. Измерение производится за счет уравновешивания этой механической силы грузом или пружиной:

F = ε 0 l 2 ε 2 S U 2 = KU 2 ,

где S – площадь подвижного электрода; l – расстояние между электродами;

Источник