Лекция 13. Не контактные измерения высоких напряжений

Шаровые разрядники и тригатрон

Время коммутации - ~10 нс

Разброс времен коммутации ~5 нс

Рабочее напряжение – до 20 МВ

Коммутируемые токи – до 500 кА

Практически все не контактные способы измерения высоких напряжений основаны на измерении напряженности электрического поля в месте расположения датчиков (измерительных приборов) и последующего расчета потенциала высоковольтного электрода. При определённых фиксированных расстояниях и формах электродов ВН и датчиков возможна градуировка шкал измерительных приборов непосредственно в величинах напряжений на высоковольтном электроде.

Измерения напряженности электромагнитного поля обычно основываются на:

- измерении силы притяжения заземленного измерительного электрода к высоковольтному электроду;

- измерении величины электростатического заряда, потенциала или тока зарядки измерительного электрода.

На рис.5.1. представлена схема электростатического вольтметра Чернышева.

Электрод высокого напряжения (2) притягивает измерительный электрод (1), подвешенный к коромыслу (3). Коромысло, двигаясь по часовой стрелке, контактором (5) замыкает цепь измерительного прибора (7), который показывает наличие тока через коромысло. К противоположному концу коромысла подвешивается платформа с грузами (а) или подвижная катушка с током (б). Изменяя количество груза, можно уравновесить коромысло. При изменении величины протекающего тока через подвижную и неподвижную части катушек (б) изменяется действующая на коромысло сила. Величина тока через амперметр (А) пропорциональна этой силе, т.е. силе притяжения измерительного электрода к электроду высокого напряжения. Контактор (5) в уравновешенном состоянии размыкает цепочку тока в цепи коромысла, а прибор (7) показывает нуль тока. Величина груза (значение тока через катушки) пропорциональна напряженности электрического поля в месте расположения измерительного электрода и величине напряжения на электроде (2). Вольтметр имеет защитное кольцо (4). В современных электростатических киловольтметрах типа С 96, С 196 и других вместо коромысла используют подвижный электрод 5 на нити 4 с укреплённым на ней зеркальцем 6 (рис.5.2). Внешний вид киловольтметра С 196 показан на рис.5.3.

Приборы этого типа имеют высоковольтный электрод 1, который может занимать несколько (обычно, три) фиксированных положений с разными расстояниями L от неподвижного электрода 2. В металлическом корпусе неподвижного электрода имеется отверстие 3 со шторкой для проникновения электрического поля внутрь электрода. Внутри электрода 2 на системе креплений 7 закреплена упругая нить 4 (обычно кварцевая). На нити закреплены неравноплечая металлическая пластина 5 и зеркальце 6. При открытой шторке электрическое поле проникает внутрь электрода 2 через отверстие 3 и притягивает пластину 5. За счет неравной длины пластины 5 по отношению к точке подвеса на нити возникает крутящий момент, и нить закручивается до тех пор, пока этот момент сил не будет скомпенсирован силами упругости нити. Вместе с нитью вращается зеркальце 6, на которое падает луч от лампы подсветки 8. Отражаясь от зеркальца, луч попадает на шкалу прибора 9, которая проградуирована в киловольтах. В приборе имеется несколько различных переключаемых шкал, число которых совпадает с числом фиксированных расстояний L электрода 1.

Киловольтметр С-100, например, имеет три предела измерения: 25, 50, и 75 кВ. Погрешность измерения напряжения не превышает ±1,5%. Вследствие квадратичной зависимости между усилием, воздействующим на подвижный электрод электростатического киловольтметра, и измеряемым напряжением, прибор имеет квадратичные шкалы. Входная емкость киловольтметра находится в пределах 5 ¸ 50 пФ, а сопротивление утечки составляет величину порядка 10¹⁵ Ом.

Целый ряд современных приборов по неконтактному измерению высокого напряжения и напряженности электрического поля основан на явлении электростатической индукции. Если внести в электрическое поле некий заземлённый металлический электрод, то на поверхности этого электрода индуцируется (перетечет с «земли») заряд, поверхностная плотность которого определяется напряженностью электрического поля у электрода. Величина индуцированного заряда зависит от размеров электрода. Если в цепи «земля» - электрод поставить измеритель протекшего заряд (Q -метр), то его шкалу можно непосредственно проградуировать в единицах напряженности поля (для переносных приборов) или в единицах напряжения (для стационарных приборов, с неизменным расстоянием от высоковольтного электрода, создающего поле). Вместо Q -метров можно также использовать более дешёвые амперметры для измерения величины тока электростатической индукции, или вольтметры, для измерения потенциала измерительного электрода относительно «земли». Недостатком использования амперметров является то, что индукционный ток не постоянен во времени, убывает по мере зарядки измерительного электрода и равен нулю после полной зарядки. Существует, по крайней мере, два способа устранения этого недостатка. Можно либо непрерывно менять площадь измерительного электрода, либо расстояние до источника высокого напряжения. Первый способ реализован в роторных вольтметрах, схема которого представлена на рис.5.4.

В металлическом корпусе прибора расположен электродвигатель (ЭД), который приводит во вращение два металлических полукруглых электрода S ₁ и S ₂. Каждый из электродов соединен со своим полукруглым контактом в щёточном контакторе (К). Щеточные контакты 1 и 2 при вращении вала ЭД поочерёдно подключаются то к одному электроду, то к другому. Контакт 2 связан с корпусом прибора и заземлён. Контакт 1 замкнут на землю через регулировочное сопротивление (R) и амперметр (А). Вращающиеся электроды отделены от окружающей среды экраном (Э) в котором прорезано полукруглое отверстие (3), которое по размерам совпадает с электродами S ₁ и S ₂. Переключение в контакторе происходит в момент, когда один из электродов полностью открыт, а другой полностью закрыт металлическим экраном. В закрытом состоянии электрод заземлён, его потенциал равен нулю, а какой-либо заряд на его поверхности отсутствует. Как только часть электрода появляется в отверстии 3, на нем начинает индуцироваться заряд (появляется ток через сопротивление R и амперметр). Открытая площадь электрода постоянно увеличивается до тех пор, пока электрод не займёт все отверстие 3. Поскольку скорость увеличения поверхности кругового электрода при постоянной скорости вращения вала постоянна, то через амперметр течет постоянный ток зарядки электрода. Затем происходит переключение в контакторе на другой электрод, и процесс зарядки повторяется для другого электрода. В цепи амперметра протекает постоянный ток, величина которого зависит от напряженности поля, скорости вращения электродов и сопротивления R. Обычно, в приборах этого типа имеется несколько переключаемых сопротивлений, рассчитанных на разные диапазоны напряженностей электрического поля. При определении напряженности циклически изменяющихся по величине полей в цепи амперметра протекает переменный ток, который также легко измеряется. Шкала прибора проградуирована непосредственно в величинах напряженности электрического поля.

Другой принцип измерения реализован в схеме вибрационного вольтметра рис.5.5.

Подвижный электрод 2 закреплён на штоке 5. Другой конец штока закреплён на возвратной пружине 6. При пропускании тока через катушку 4 шток втягивается в катушку, сжимая пружину 6 и увлекая за собой подвижный электрод. Обратное движение штока с подвижным электродом обеспечивается пружиной. Вокруг подвижного измерительного электрода расположен защитный заземлённый электрод 3. Высоковольтный электрод 1 расположен на расстоянии d от электродов и создает у поверхности измерительного электрода некоторую напряженность электрического поля. Возвратно- поступательное движение измерительного электрода приводит к тому, что напряженность поля у его поверхности периодически изменяется во времени. Индукционный ток, протекающий через регулировочное сопротивление R и амперметр, также периодически меняется. Величина этого тока пропорциональна напряженности поля, градиенту напряженности вблизи электрода, площади поверхности электрода 2 и его скорости движения. Шкала вольтметра градуируется в величинах напряженности электрического поля.

Дата добавления: 2014-01-07