Высоковольтные испытательные установки и измерения: Методические указания к выполнению лабораторных работ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УТВЕРЖДАЮ Зав кафедрой ТЭВН проф., д-р.ф.-м. наук _____________Лопатин В.В. «____» ___________ 2005 г.

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ИЗМЕРЕНИЯ Методические указания к лабораторным работам для студентов направления 140200 «Электроэнергетика»

Томск –2005

ЭСВТ ЭЛТИ

621.315.619 Высоковольтные испытательные установки и измерения: Методические указания к лабораторным работам для студентов специальности 140201 «Высоковольтная электроэнергетика и электротехника» и направления 140200 «Электроэнергетика». - Томск: изд. ТПУ, - 47 с.

Составитель:

Рецензент:

доц., канд. техн. наук Ю.Н. Леонтьев, доц., канд. техн. наук Д.В. Жгун доц., канд. техн. наук Синебрюхов А.Г.

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры техники и электрофизики высоких напряжений «____» ____________2005 г.

Зав. кафедрой ТЭВН проф. д-р ф.-м. наук

Лопатин В.В.

2

ЭСВТ ЭЛТИ

1. ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ВЫСОКОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ИСПЫТАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ 1.1. Общие сведения Высоковольтная изоляция электрических установок в условиях эксплуатации подвергается постоянно действующему рабочему напряжению. Кроме этого, высоковольтная изоляция подвергается воздействию внутренних и грозовых перенапряжений. Возможность надежной работы изоляции в условиях воздействия рабочих напряжений и возникающих перенапряжений проверяется путем проведения испытаний электрической прочности изоляции. Для проведения таких испытаний в лабораториях используются источники высокого напряжения переменного, постоянного и импульсного напряжения. Установки высокого напряжения промышленной частоты могут имитировать условия работы изоляции в нормальном рабочем режиме и при некоторых воздействиях внутренних перенапряжений. Методы испытания и значения испытательных напряжений нормируются ГОСТ 1516-76. Испытаниям подвергается каждый вновь разработанный тип электрооборудования (типовые испытания), а также каждое изделие при его выпуске заводом-изготовителем (контрольные испытания). Целью этих испытаний является проверка соответствия электрической прочности изоляции электрооборудования требованиям ГОСТа. Кроме того, в процессе эксплуатации изоляции проводятся регулярные плановые испытания изоляции (профилактические испытания). Необходимость этих испытаний связана с постепенным ухудшением диэлектрических свойств изоляции, вызванных электромагнитными, тепловыми и химическими воздействиями окружающей среды. Испытания изоляции коммутационными импульсами или напряжением промышленной частоты (50 Гц) позволяют проверить ее способность выдерживать расчетные значения внутренних перенапряжений. Форма апериодического коммутационного импульса имеет время подъема напряжения до максимума 250 мкс, а длительность импульса 2500 мкс. Длительность импульса определяется временем от начала до момента, когда напряжение понижается до половины максимального значения. Такими импульсами положительной и отрицательной полярностей могут проводится испытания всех видов изоляции электрооборудования на номинальные напряжения до 500 кВ. Для отдельных видов электрооборудования установлены специальные формы коммутационных импульсов, в том числе колебательные импульсы. Применение для испытаний коммутационных импульсов той или иной формы оговаривается в стандартах на электрооборудование. В настоящее время коммутационными импульсами испытывается оборудование на напряжение 330 кВ и выше. Нормированные значения напряжений коммутационных импульсов для оборудования 330 кВ и 500 кВ приведены в ГОСТ 1516.1-76, а для оборудования 750 кВ в ГОСТ 20690-75. Для 3

ЭСВТ ЭЛТИ

оборудования на напряжение до 330 кВ испытания коммутационными импульсами заменяются испытаниями переменным напряжением промышленной частоты. Такая замена допускается также для электрооборудования на 330 кВ и выше. Коммутационные импульсы различной формы получают с помощью так называемых генераторов апериодических и колебательных импульсов, собранных на базе испытательных трансформаторов, каскадов трансформаторов или генераторов импульсных напряжений. Принципиальная электрическая схема испытания изоляции высоким напряжением промышленной частоты приведена на рис.1.1.

Рис. 1.1. Электрическая схема для испытания изоляции напряжением промышленной частоты В схеме испытания источником высокого переменного напряжения (Т1) может быть испытательный трансформатор или каскад, состоящий из двух или трех последовательно соединенных трансформаторов, в зависимости от необходимого уровня испытательного напряжения. Мощность источника высокого напряжения, определяемая по длительно протекающему току через объект, должна быть достаточной, чтобы обеспечить постоянство испытательного напряжения на объекте при его испытании. Регулятор напряжения (РН) должен обеспечивать необходимую скорость подъема напряжения, оговоренную ГОСТ на проведение испытания, а мощность его должна быть не менее мощности, развиваемой на объекте испытания. Основное назначение защитного сопротивления (R1) – ограничивать крутизну среза напряжения на выводах трансформатора и демпфировать колебания напряжения в цепи «объект - испытательный трансформатор» при перекрытии или пробое объекта испытания. С этой целью его величину выбирают достаточной для сглаживания начального распределения напряжения вдоль обмотки трансформатора – (0,1÷1,0) Ом на 1 В номинального напряжения. Это сопротивление ограничивает также броски тока при пробое на объекте. Делитель напряжения (R3- R4) вместе с осциллографом предназначен для контроля формы и измерения величины испытательного напряжения на объекте. Параллельно объекту включается измерительный шаровой разрядник(F), который может служить для измерения напряжения на объекте, 4

ЭСВТ ЭЛТИ

градуировки делителя напряжения и вольтметра (Р), включенного на стороне низкого напряжения испытательного трансформатора. Шаровой разрядник служит также для ограничения опасных превышений напряжения в процессе проведения испытаний. Шаровой разрядник подключается через сопротивление (R5), которое служит для демпфирования колебаний в цепи «шаровой разрядник - испытательный трансформатор» при разрядах на шарах и для уменьшения износа (эрозии) рабочих поверхностей шаров. В ряде случаев необходимо измерение тока при испытании изоляции. С этой целью в цепь заземления объекта включается амперметр или сопротивление шунта (R2), напряжение с которого подается на осциллограф. При испытании изоляции допускается включение напряжения толчком, если его величина не превышает 40 % от испытательного. Затем напряжение на объекте плавно, со скоростью 3 % от испытательного, поднимается до величины испытательного напряжения. Подъем напряжения контролируется по вольтметру. С целью защиты испытуемого объекта от случайного чрезмерного повышения напряжения шаровой разрядник устанавливается на пробивное напряжение, равное (1,1÷1,2) испытательного. После достижения величины требуемого испытательного напряжения и осуществления требуемой ГОСТ одноминутной выдержки (для внутренней изоляции) или без выдержки (для внешней изоляции) напряжение на объекте должно быть снижено до 40 % испытательного или менее и после этого отключено. Аналогично производится, если это необходимо, измерение разрядного напряжение объекта. Разница состоит в том, что в этом случае напряжение поднимается до разряда на объекте. 1.3 Порядок выполнения работы 1. Подготовить таблицу для записи необходимых исходных данных и результатов измерений. 2. Записать значения давления, температуры и определить величину влажности воздуха при испытании. 3. Для заданных изоляторов по ГОСТ определить значения испытательных напряжений промышленной частоты при нормальных атмосферных условиях. 4. Определить величины испытательных напряжений с учетом влажности и плотности воздуха. 5. Провести испытания изоляторов в сухом состоянии и оценить результаты испытаний. 6. Измерить разрядное напряжение взятых изоляторов в сухом состоянии. Разрядное напряжение определить как среднее значение из 3-х измерений. Определить запас электрической прочности изоляторов в сухом состоянии.

5

ЭСВТ ЭЛТИ

1.4 Контрольные вопросы 1. Каковы условия работы и особенности конструктивного исполнения испытательных трансформаторов? 2. В чем смысл испытания изоляции напряжением промышленной частоты и коммутационными импульсами? 3. В чем причина влияния относительной плотности воздуха на значение разрядных напряжений? 4. Нарисовать принципиальную схему каскада из двух, трех трансформаторов. 5. В чем заключается основное преимущество каскада перед одиночным трансформатором на то же самое напряжение? 6. Можно ли запитывать первичные обмотки второго и третьего трансформаторов каскада от сети, если нельзя, то как осуществляется их подключение к питающему напряжению? 7. Как определяется необходимая мощность трансформатора при испытании на переменном напряжении? 8. Какова роль сопротивлений R1 и R5 в схеме испытания изоляции? 2. АНАЛИЗ СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ 2.1 . Общие сведения Во многих областях науки и техники требуются источники энергии постоянного тока. Потребителям энергии постоянного тока являются радиотехнические устройства, ускорители заряженных частиц, установки электронно-ионной технологии, установки для испытания высоковольтной изоляции различного электрооборудования и т.д. Постоянное напряжение для испытания электрооборудования получают преобразованием переменного тока высокого напряжения с помощью выпрямительных устройств, использующих вентильные свойства электровакуумных, газоразрядных и полупроводниковых приборов. Основными элементами схем выпрямления и схем выпрямления с умножением напряжения являются: источник переменного тока высокого напряжения; выпрямительное устройство, преобразующее переменный ток в постоянный; сглаживающий фильтр, предназначенный для уменьшения величины пульсации переменного тока; нагрузка. Выбор схемы для получения постоянного напряжения в каждом конкретном случае определяется требованиями, предъявляемыми к форме и величине напряжения на нагрузке, и имеющимся в наличии оборудованием (трансформаторы, конденсаторы, выпрямители). Схемы выпрямления можно классифицировать по следующим признакам: - по форме выпрямленного напряжения (одно – и двухполупериодные схемы); 6

ЭСВТ ЭЛТИ

- по числу фаз вторичной обмотки трансформатора )одно -, двух- и трехфазные схемы); - по схеме соединения выпрямителей (мостовая схема, схемы с последовательным или параллельным соединением выпрямителей); - по соотношению величины выходного напряжения к величине входного напряжения (схемы выпрямления, схемы выпрямления с умножением напряжения). Выходные характеристики любого выпрямительного устройства определяются схемой их включения и характером нагрузки. В настоящей работе рассматриваются следующие схемы выпрямления и схемы выпрямления с умножением напряжения: однополупериодная однофазная; двухполупериодная мостовая; трехфазная однополупериодная; трехфазная двухполупериодная; однополупериодная с удвоением напряжения; двухполупериодная с удвоением напряжения; однокаскадная схема удвоения напряжения; однополупериодная с утроением напряжения. Анализ и сравнение схем выпрямления целесообразно проводить по следующим параметрам: - по средним значениям напряжения и тока нагрузки (Uср, Iср); - по действующим (эффективным) значениям напряжения и тока нагрузки (Uэф, Iэф); - по коэффициенту формы тока I эф K ср = ; I ср - по коэффициенту постоянной составляющей тока - Кп (Кп = Iср/Imax); - по коэффициенту обратного напряжения – Кобр (Кобр = Uобр/Uср); по коэффициенту использования обмотки трансформатора по мощности - Ктр

K тр =

Р ср Р2

=

2 U ср

nU 2эф2

,

где n – число фаз трансформатора; U 2эф2 - эффективное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора. 2.1.1. Однополупериодная однофазная схема выпрямления при работе на активную нагрузку Однополупериодная схема выпрямления для получения постоянного тока в нагрузке представлена на рис. 2.1. На этом же рисунке представлена диаграмма изменения напряжения на сопротивлении нагрузки для схем рис. 2.1, а и рис. 2.1, б. соответственно.

7

ЭСВТ ЭЛТИ

Рис. 2.1. Схемы однополупериодного выпрямления: а – без фильтра; б – с фильтром и соответственно диаграммы напряжения (в и г) на нагрузке В схеме рис.2.1,а ток через нагрузку протекает только в течение одного полупериода (когда открыт выпрямитель V1) и создает на нагрузке импульс напряжения. В течение второго полупериода выпрямитель закрыт, ток через нагрузку не протекает и на нагрузке напряжение равно нулю (рис. 2.1.в). Среднее и действующее значения напряжения на нагрузке можно определить интегрированием кривой Uн(t) в пределах периода. 1 T/2 U ср = ∫ U ⋅ sinωt ⋅ dt ≈ 0,38U m ; Т 0 m

U эф =

1T/2 2 2 ∫ U m ⋅sin ωt⋅dt ≈ 0,5U m , T 0

где Т – период переменного напряжения; Um – амплитудное значение напряжения. Пульсация напряжения равна единице, а величина обратного напряжения выпрямителя равна Uобр = Um.

δU =

U max − U min = 1. U max

С целью уменьшения пульсации и увеличения среднего и действующего напряжений в схему включается емкость фильтра (рис.2.1,б). В этом случае в течение второго полупериода, когда выпрямитель закрыт, емкость Сф разряжается на Rн и создает на нем напряжение

8

ЭСВТ ЭЛТИ −

U( t ) = U m e

t R н Сф

.

Величина пульсации при наличии сглаживающего фильтра будет меньше, чем в схеме рис.2.1,а, и зависит от величины Rн и Сф. Обратное напряжение будет равно Uобр ≅ 2Um. Схемы однополупериодного выпрямления достаточно просты и могут выполняться на напряжение до 100 кВ, но при малом сопротивлении нагрузки для обеспечения малой величины пульсации для фильтра требуются конденсаторы большой емкости. 2.1.2. Двухполупериодная мостовая схема выпрямления (схема Герца) В схеме двухполупериодного выпрямления четыре выпрямителя образуют мост, в одну диагональ которого включается сопротивление нагрузки и при необходимости параллельно нагрузке сглаживающий фильтр (Сф), а к другой диагонали подключается трансформатор (рис.2.2).

Рис. 2.2. Схемы двухполупериодного выпрямления: а – без фильтра; б – с фильтром и соответственно напряжения (в и г) на нагрузке В течение положительного полупериодеа переменного напряжения трансформатора выпрямители V1 и V3 открыты, а выпрямители V2 и V4 закрыты. Через нагрузку протекает ток и создает на ней напряжение, пропорциональное току. В течение отрицательного полупериода открыты выпрямители V2 и V4 и закрыты выпрямители V1 и V3. Через нагрузку протекает ток того же знака, что и в первом случае. Таким образом, через нагрузку протекает ток одного знака в течение всего периода переменного напряжения трансформатора и создает на нагрузке напряжение, пропорциональное току (рис. 2.2, в) 9

ЭСВТ ЭЛТИ

Среднее и действующее значения напряжений на нагрузке будет в этом случае равны: U ср ≈ 0,636U m , U эф ≈ 0,709U m . Однако величина пульсаций напряжения будет такой же, как и в схеме однополупериодного выпрямления (рис. 2.1, а) без фильтра. При включении в схему фильтра (рис. 2.2, б) диаграмма напряжения на нагрузке будет иметь вид, показанный на рис. 2.2, г. Величина пульсаций напряжения в этом случае будет меньше, чем в схеме однополупериодного выпрямления (рис. 2.1, б) при одинаковых значениях Rн и Сф. Обратное напряжение выпрямителей в схеме с фильтром (рис. 2.2, б) и без него (рис. 2.2, а) будет одинаковым и равным Uобр ≈ Um. Преимуществами двухполупериодной схемы являются большой коэффициент использования мощности трансформатора, меньший коэффициент обратного напряжения выпрямителей, меньшая величина пульсаций напряжения при наличии фильтра. Недостатками таких схем являются: большее внутреннее сопротивление схемы, большое число выпрямителей. 2.1.3. Трехфазная однополупериодная схема выпрямления В трехфазной однополупериодной схеме сопротивление нагрузки, а при необходимости и сглаживающий фильтр включаются между нулевой точкой обмотки трансформатора, соединенной в звезду, и соединенными вместе анодами или катодами выпрямителей (рис. 2.3). Ток через выпрямители протекает, если потенциал анода более положителен, чем потенциал катода рассматриваемого выпрямителя в схеме. Диаграмма напряжения на трансформаторе показана на рис. 2.3, в, а диаграмма напряжения на нагрузке от каждой из фаз и суммарное напряжение показаны на рис. 2.3, г и 2.3, д соответственно. Среднее и действующие значения напряжений на нагрузке в схеме без фильтра соответственно равны:

U ср ≈ 0,826U m ,

U эф ≈ 0,841U m ,

где Um –амплитудное значение фазного напряжения трансформатора. Пульсация напряжения в схеме без фильтра составляет 50 % от амплитудного значения. Использование фильтров в этих схемах позволяет получить практически постоянное напряжение без пульсаций. Достоинствами этой схемы являются достаточно малая величина пульсаций напряжения на нагрузке и высокая частота пульсаций по сравнению с ранее рассмотренными схемами. К недостаткам следует отнести низкий коэффициент использования выпрямителей по току и низкий коэффициент использования вторичной 10

ЭСВТ ЭЛТИ

обмотки трансформатора по мощности. Обратное напряжение выпрямителей не превышает линейного значения напряжения трансформатора. 2.1.4. Трехфазная двухполупериодная схема выпрямления (схема Ларионова) С целью снижения пульсаций тока в нагрузке и увеличения его по абсолютной величине можно применять трехфазную мостовую схему (рис.2.4), пунктиром показано подключение емкости фильтра. Схема допускает соединение вторичной обмотки трансформатора в звезду или треугольник. Ток через нагрузку в течение времени Т/6 протекает через два выпрямителя. Например, в момент времени t0 (рис. 2.4, б) ток протекает через открытые выпрямители V1 и V6, а в момент t1 – через открытые выпрямители V1 и V5 и т. д. Выпрямители открываются тогда, когда потенциал анодов в схеме будет более положителен, чем потенциал катодов. Через каждый выпрямитель схемы ток протекает в течение времени 2Т/3 (рис. 2.4, в). В нагрузке протекает суммарный ток, создающий напряжение на нагрузке, диаграмма которого показана на рис. 2.4, г. Как видно из диаграммы, напряжение на нагрузке в схеме без фильтра пульсирует от 1,5Um до 3U m . Среднее и действующее значения напряжения на нагрузке для этой схемы равны соответственно

U ср ≈ 1,652U m ,

U эф ≈ 1,678U m ,

где Um –амплитудное значение фазного напряжения трансформатора.

11

ЭСВТ ЭЛТИ

Рис. 2.3. Трехфазная однополупериодная схема выпрямления: а – схема без фильтра; б – с фильтром; в – диаграмма напряжения трансформатора; г и д – диаграммы напряжения на нагрузке от каждой фазы и суммарное напряжение соответственно Достоинством схемы является очень малая глубина пульсаций и высокая частота их. Даже при отсутствии сглаживающего фильтра величина пульсаций не превышает 13 % от амплитудного значения напряжения. Недостатками схемы являются относительно невысокий коэффициент использования вторичной обмотки трансформатора по мощности и малый коэффициент использования вентилей по току.

12

ЭСВТ ЭЛТИ

Рис. 2.4. Трехфазная двухполупериодная схема выпрямления: а – электрическая схема; б – диаграмма напряжения трансформатора; в и г – диаграммы напряжения на нагрузке от каждой фазы суммарного напряжения соответственно 2.2. Схемы выпрямления с умножением напряжения Рассмотренные схемы выпрямления целесообразно использовать при получении постоянного напряжения выше 100 кВ. На более высокие напряжения такие схемы получаются громоздкими, менее надежными и достаточно дорогими по следующим причинам. 1. Выпрямители не выпускаются на большие напряжения. Использование же последовательного включения нескольких выпрямителей требует применения делителей для выравнивания потенциалов по элементам выпрямительного устройства, что усложняет схему, увеличивает габариты и уменьшает надежность работы его. 2. Получение постоянного напряжения с малыми пульсациями требует использования емкостного сглаживающего фильтра, Величина пульсаций тем меньше, чем больше емкость конденсаторов, используемых для фильтров, Изготовление конденсаторов большой емкости на высокое напряжение – дело сложное, поэтому необходимо использовать последовательно-параллельное включение конденсаторов сглаживающего фильтра. Это увеличивает габариты, стоимость схемы и снижает надежность работы. Значительно проще и дешевле получать высокое напряжение с использованием схем выпрямления с умножением напряжения на нагрузке относительно величины входного напряжения. Принцип создания таких схем 13

ЭСВТ ЭЛТИ

основан на использовании элементов с относительно низкими электрическими параметрами, работающих при жестко заданных потенциалах в схеме. Различают насколько схем такого типа: схемы выпрямления с удвоением напряжения, схемы выпрямления с утроением напряжения, схемы выпрямления с каскадным умножением напряжения. Основными элементами этих схем являются источник высокого переменного тока, выпрямители и конденсаторы. 2.2.1. Однополупериодная схема выпрямления с удвоением напряжения На рис. 2.5, а представлен вариант однополупериодной схемы выпрямления с удвоением напряжения. В данной схеме, если выпрямитель выдерживает броски тока при включении, ограниченные индуктивностью трансформатора, то можно не использовать токоограничивающие сопротивления в цепи выпрямителя. Напряжение на нагрузке получается пульсирующим от 0, когда выпрямитель V открыт, до 2Um, когда выпрямитель V закрыт.

Рис. 2.5. Однополупериодная схема с удвоением напряжения: а – электрическая схема, б – диаграмма напряжения трансформатора (1) и на нагрузке (2) Диаграмма изменения напряжения трансформатора и на нагрузке представлена на рис. 2.5, б. Обратное напряжение на выпрямителе в закрытый период достигает величины 2Um, а напряжение на конденсаторе не превышает Um. Недостатками такой схемы являются большая пульсация напряжения на нагрузке и большое внутреннее сопротивление схемы, поэтому нагрузочная характеристика имеет крутопадающий вид. 2.2.2. Двухполупериодная схема выпрямления с удвоением напряжения В данной схеме (рис. 2.6) в положительный полупериод переменного тока через выпрямитель V1 заряжается конденсатор С1. Одновременно ток протекает по нагрузке Rн и частично разряжается конденсатор С2.

14

ЭСВТ ЭЛТИ

Рис. 2.6. Двухполупериодная схема с удвоением напряжения: а – симметричная схема, б – несимметричная схема, в и г – соответствующие диаграммы напряжения трансформатора (1) и на нагрузке (2) В отрицательный полупериод через выпрямитель V2 подзаряжается конденсатор С2. В то же время ток протекает по нагрузке и частично разряжается конденсатор С1. Схема может работать в симметричном режиме (рис. 2.6, а) и несимметричном режиме относительно земли (рис. 2.6, б). В первом случае может использоваться трансформатор с одним высоковольтным выводом, а во втором случае с двумя высоковольтными выводами. Диаграммы напряжения на трансформаторе (1) и на нагрузке (2) для симметричного и несимметричного режимов даны на рис. 2.6, в и 2.6, г соответственно. Конденсаторы С1 и С2 выполняют роль сглаживающего фильтра в схеме и выбираются каждый на напряжение Um, а выпрямители должны выбираться в данной схеме на Uобр = 2Um. Такая схема позволяет получать удвоенное напряжение на нагрузке относительно входного напряжения при относительно малой величине пульсаций. Основное достоинство этой схемы заключается в том, что она может работать в двух режимах: симметричном и несимметричном. 2.2.3. Однокаскадная схема удвоения напряжения Данная схема является составным элементом каскадного умножения напряжения при получении сверхвысоких постоянных напряжений (рис. 2.7). Конденсатор С2 выполняет роль сглаживающего фильтра и заряжается пульсирующим напряжением, изменяющимся от 0 до 2Um через выпрямитель V2. Это напряжение достигает своего максимального значения, когда выпрямитель V1 закрыт, и складывается из напряжения трансформатора и напряжения на конденсаторе С1. Пульсация напряжения на нагрузке зависит от 15

ЭСВТ ЭЛТИ

величины емкости конденсатора С2 и величины сопротивления нагрузки Rн. Выпрямители в схеме работают поочередно, в различные полупериоды переменного напряжения трансформатора. Выпрямители должны быть рассчитаны на обратное напряжение, равное 2Um. Конденсатор С1 должен иметь рабочее напряжение, равное Um, а конденсатор С2 – равное 2Um. Достоинством такой схемы является малая величина пульсаций напряжения на нагрузке Кроме того, используя пульсирующие напряжения на выпрямителях V1 и V2, которые меняются от 0 до 2Um и сдвинуты относительно друг друга на 180°, можно эту схему использовать для получения каскадного умножения напряжения.

Рис.2.7. Однокаскадная схема умножения напряжения: а – электрическая схема, б – диаграмма напряжения трансформатора (1), на нагрузке (2) и на выпрямителе V1 (3) 2.2.4. Однополупериодная схема выпрямления с утроением напряжения на нагрузке Схема, представленная на рис. 2.8, позволяет получить утроенное значение напряжения на нагрузке относительно входного напряжения Um.

Рис. 2.8. Схема утроения напряжения: а – электрическая схема. б – диаграмма напряжения трансформатора (1) и на нагрузке (2) При воздействии переменного напряжения трансформатора в один из полупериодов выпрямители V1 и V2 открыты и конденсаторы С1 и С2 заряжаются до Um каждый. В другой полупериод, когда выпрямители закрыты, напряжение на нагрузке представляет из себя сумму напряжение трансформатора и двух последовательно соединенных конденсаторов. Как 16

ЭСВТ ЭЛТИ

видим из диаграммы (рис. 2.8, б), напряжение на нагрузке пульсирует от Um до 3 Um. В этой схеме выпрямители должны выдерживать напряжение, равное 2 Um, а конденсаторы должны иметь рабочее напряжение Um. Недостатком данной схемы является то, что она имеет большое внутреннее сопротивление. 2.3. Описание программы Работа выполняется в редакторе WorkBench, который позволяет моделировать электрические схемы с заданными параметрами и производить измерения тока и напряжения в процессе их работы. Вид рабочего окна показан на рис.2.9.

Рис.2.9 Вид рабочего окна программы WorkBench. Запуск работы схемы осуществляется нажатием левой кнопки «мыши» переключателя, находящегося в верхнем правом углу рабочего окна (рис.2.9, поз.1). Запуск схемы следует осуществлять на 1-2 секунды (время работы схемы показывается в нижней части рабочего окна- рис.3.1,поз.9). а затем останавливать работу нажатием кнопки Pause, или выключением переключателя. Все схемы содержат следующие элементы:

17

ЭСВТ ЭЛТИ

- Источники переменного напряжения (один или несколько) около которых обозначены их величина (действующее значение напряжения) и частота (рис.2.9, поз.2). - Диоды D (рис.2.9, поз.3); - Пассивные элементы из которых используются активные сопротивления R рис.2.9, поз.4 и емкости С (рис.2.9, поз.5); - Измерительные устройства: двухканальный осциллограф (рис.2.9, поз.6), вольтметр V (рис.2.9, поз.7), амперметр А (рис.2.9, поз.8) и могут работать в режиме непрерывного измерения постоянного и переменного сигнала. Вольтметр измеряет среднее значение напряжения. Изменение параметров всех элементов осуществляется при двойном нажатии на них левой кнопкой «мыши», и ввода необходимых параметров с клавиатуры. Окно осциллографа также появляется после двукратного нажатия на его изображение на схеме. Осциллограф может работать в двух режимах изображения экрана: обычном и расширенном. В обычном режиме работы можно визуально проследить измеряемый сигнал и визуально определить его параметры. Сигнал может подаваться на два независимых друг от друга канала: Сhannel A, Сhannel B. Каждый канала может измерять переменный (АС) и постоянный (DC) сигнал (нажата кнопка АС или DC). Нажатием кнопки D можно убрать измеряемый сигнал с экрана осциллографа. Чувствительность каждого канала можно изменять независимо друг от друга в пределах меняется независимо друг от/дел друга в пределах от 10 μВ до 5 кВ/дел. Развертку по времени (Time base) можно менять от 0,1 нс/дел до 1 с/дел. Нажатие кнопки Expand позволяет перевести экран осциллографа в расширенный режим работы. Внешний вид осциллографа в обычном режиме показан на рис.2.10.

Рис.3.2 Внешний вид экрана осциллографа в обычном режиме. В расширенном режиме работы (рис.2.11) имеется возможность при остановке работы просмотреть всю длительность сигнала с помощью полосы прокрутки и проводить его обработку, т.е. изменять чувствительность как по оси времени, так и по оси напряжения. Точное измерение сигнала осуществляется с помощью маркеров 1 и 2, находящихся в верхней части экрана осциллографа соответственно красного и синего цвета, которые перемещаются при помощи «мыши». Непосредственно под экраном находятся три табло в которых отображаются измеряемые величины. В первом табло отображаются значения величины времени -Т1, и напряжения на каналах А и 18

ЭСВТ ЭЛТИ

В- VA1,VB1 измеренные в месте положения маркера 1. Во втором табло- то же, измеренное в месте положения маркера 2. В третьем табло приводятся разности значений времени и напряжения, измеренный в точке 1 и 2. Нажатие кнопки Reduce приводит экран осциллографа в обычный вид (рис.2.10). Нажатие кнопки Reverse позволяет изменить цвета изображения сигнала (черный) и экрана осциллографа (белый) на обратные: белый и черный соответственно.

Рис.2.11 Внешний вид экрана осциллографа в расширенном режиме. Пример расшифровки обозначений на рис.3.3: Чувствительность по времени- 0,1 с/дел. Канал А работает в режиме измерения постоянного сигнала (кнопка DC ). Изображение канала В отключено (кнопка D). Чувствительность по амплитуде каналов А и В 100 В/дел. Измерения проведенные в месте нахождения маркера 1: время от начала работы схемы Т1=0,59935 с, величина напряженияVA1=2,98249 В. В месте положения маркера 2: Т2=0,6651 с, VB1=138,839 В. Соответственно разница Т2-Т1=0,06575 с, VA1-VA2=135,857 В. 2.4. Порядок работы Запустить программу с рабочего стола, дважды нажав на иконку Wewb32. После загрузки программы для открытия файлов необходимо нажать кнопку File в верхнем левом углу экрана, затем выбрать позицию Open. В появившемся окне войти в папку Лаб_ВВИУ и выбрать требуемый файл. В дальнейшем, для открытия следующих файлов можно воспользоваться нажатием клавиши . Внимание. При открытии последующих файлов на запрос программы о сохранении изменений в данной файле отвечать нет. 4.1 Открыть файл 1 (однополупериодная схема выпрямления). 19

ЭСВТ ЭЛТИ

а) Определить длительность одного полупериода колебаний напряжения при помощи осциллографа. Измерения проводить на канале В. б) Определить число пульсаций выпрямленного напряжения за период переменного напряжения, используя канал А осциллографа. Зафиксировать при помощи вольтметра V значение напряжения на нагрузке. 4.2 Открыть файл 2 (однополупериодная схема выпрямления с фильтром) а) Определить напряжение на нагрузке при R=∞ (сопротивление отключено от основной схемы). б) подключить к схеме нагрузку R с последовательно включенным амперметром А и снять внешнюю, нагрузочную характеристику схемы выпрямления Uн=f(Iн) при постоянной величине емкости С (провести 5-6 измерений). Величину сопротивления R изменять в пределах от 1 до 50 кОм. Результаты измерений занести в таблицу. в) измерить величину пульсаций напряжения δU=f(C) при постоянном значении сопротивления нагрузки R=1-50 кОм (провести 5-6 измерений). Величину емкости С изменять в пределах от 1 до 10 мкФ. Результаты измерений занести в таблицу. 4.3

Открыть файл 3 (двухполупериодная мостовая схема) и выполнить требования п. 4.1,б 4.4 Открыть файл 4 (двухполупериодная мостовая схема с фильтром) и выполнить требования п. 4.2а,б 4.5 Открыть файл 5 (трехфазная однополупериодная схема) и выполнить требования п. 4.1,б 4.6 Открыть файл 6 (трехфазная однополупериодная схема с фильтром) и выполнить требования п.4.2а,б 4.7 Открыть файл 7 (трехфазная двухполупериодная схема) и выполнить требования п. 4.1б 4.8 Открыть файл 8 (трехфазная двухполупериодная схема с фильтром) и выполнить требования п. 4.2а,б. Примечание: В данной схеме при снятии нагрузочной характеристики R≤5 кОм, С≤1 мкФ. 4.9 Открыть файл 9 (однополупериодная схема с удвоением напряжения) и измерить напряжение на нагрузке при R=∞. Подключить нагрузку и снять внешнюю (нагрузочную) характеристику Uн=f(Iн). Результаты занести в таблицу. Напряжение на нагрузке измерять при помощи осциллографа. 4.10 Открыть файл 10 (двухполупериодная схема с удвоением напряжения) и выполнить требования п. 4.9. 4.11 Открыть файл 11(однокаскадная схема с удвоением напряжения) и выполнить требования п. 4.9. 4.12 Открыть файл 12 (однополупериодная схема с утроением напряжения) и выполнить требования п. 4.9. Напряжение на нагрузке измерять при помощи осциллографа.

20

ЭСВТ ЭЛТИ

2.5 Содержание отчета В отчете должны быть приведены схемы выпрямления и схемы выпрямления с умножением напряжения и соответствующие диаграммы напряжения, значения напряжения трансформатора и на нагрузке, таблицы с результатами измерений. Построить зависимость δU = f(Сф) для схемы по пункту 4.2, в. Построить внешние характеристики для схем по пунктам 4.2, 4.4, 4.6, 4.8, 4.9-4.12. Характеристики по пунктам 4.2, 4.4, 4.6, 4.8 строить на одной координатной плоскости, а характеристики по пунктам 4.9-4.12 строить на другой координатной плоскости. При построении характеристик напряжение и ток выразить в относительных единицах. U I U∗ = н , I∗ = н . Uб Iб За базисную величину Iб принять минимальное значение тока Iн для соответствующей схемы. Напряжение нагрузки, соответствующее базисному току данной схемы, полагать равным – Uб. Определить коэффициенты умножения напряжений на нагрузке относительно напряжения трансформатора для схем по пунктам 4.9-4.12. Сделать выводы по работе, ответить на контрольные вопросы 2.6. Контрольные вопросы 1. Что такое обратное напряжение и прямой ток выпрямителя? 2. От чего зависит величина и частота пульсаций напряжения на нагрузке? 3. Пути снижения пульсаций напряжения на нагрузке. 4. Что такое внешняя (нагрузочная) характеристика схемы? 5. В чем заключаются трудности использования простейших схем выпрямления для получения высоких напряжений более 100 кВ? 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ КАСКАДНОГО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА 3.1 Общие сведения Известны всего два способа преобразования низкого напряжения в высокое и сверхвысокое постоянное напряжение: электростатические генераторы с механическим транспортером зарядов и различные устройства, включающие в себя повышающие трансформаторы и выпрямители переменного тока. Область применения электростатических генераторов ограничена сравнительно небольшой их мощностью (порядка нескольких киловатт), а также теми случаями, когда КПД установки не имеет 21

ЭСВТ ЭЛТИ

первостепенного значения. Во всех других случаях для получения высокого постоянного напряжения приходится использовать ту или иную комбинацию повышающих трансформаторов и выпрямителей. Для получения постоянного напряжения требуемого значения, при относительно небольшой амплитуде напряжения, можно использовать последовательное включение нескольких выпрямителей (каскадов) при фиксированной разности потенциалов на них. Высоковольтные генераторы постоянного напряжения, основанные на этом принципе, получили название каскадных генераторов. Каскадный генератор постоянного тока – один из наиболее распространенных в настоящее время источников высокого и сверхвысокого постоянного напряжения. Традиционная область использования каскадных генераторов – это питание различной электрофизической аппаратуры и, в первую очередь, высоковольтных ускорителей различных типов. Они успешно используются также для питания электротехнических устройств и для испытаний высоковольтной аппаратуры, работающей при постоянном напряжении. В зависимости от типа связи между каскадами и способа питания каскадов выпрямителей от источника питания различают каскадные генераторы с емкостной или индуктивной связью с последовательным питанием каскадов. В настоящее время наиболее детально изучены каскадные генераторы с емкостной связью между каскадами и последовательным питанием от источника. Генераторы, собранные по такой схеме, обычно принято называть генераторами Кокрофта-Уолтона (рис. 3.1). Такие генераторы позволяют получать в настоящее время постоянное напряжение порядка 4÷5 МВ при мощности свыше 100 кВт. При последовательном питании ток от источника протекает к последующим каскадам через емкостное сопротивление связи предыдущих каскадов. В таких генераторах внутреннее сопротивление схемы возрастает нелинейно с ростом числа каскадов. При этом наблюдается зависимость распределения напряжения по каскадам генератора от тока нагрузки. Достоинством таких генераторов является постоянство напряжения на элементах каскада независимо от его расположения. В основе работы каскадного генератора лежит принцип зарядки емкостей каждого последующего каскада пульсирующим напряжением на выпрямителях. При приложении синусоидального напряжения трансформатора к схеме потенциал точки 0′ будет изменяться по закону ϕ0′ = Umsinωt (рис. 3.2). В течение первой половины положительного полупериода потенциал ϕ1′ может быть больше ϕ0. Выпрямитель V1 будет открыт и конденсатор С1′ будет заряжаться

22

ЭСВТ ЭЛТИ

до напряжения UС1′= ϕ1′-ϕ0′. Пока открыт выпрямитель V1 ϕ1′-ϕ0=0. Следовательно, UС1′= -Umsinωt. В процессе работы генератора в стационарном режиме без нагрузки конденсатор С1′ зарядится до UС1′ = -Um. В течение второй половины положительной полуволны потенциал ϕ0′ начнет уменьшаться и потенциал ϕ1′ станет меньше потенциала ϕ0. Выпрямитель V1 закроется. Характер изменения потенциала в точке 1′ будет ϕ1′= UС1′-ϕ0′ = -Um+ Umsinωt. При дальнейшем изменении потенциала точки 1′ в течение первой половины отрицательной полуволны ϕ1′ станет меньше ϕ1и выпрямитель V2 откроется. Напряжение на выпрямителе V1 U0-1′=ϕ1′-ϕ0= -Um + Umsinωt будет приложено к конденсатору С1 и зарядит его в процессе работы генератора до UС1 = - 2Um, т.е. ϕ1= -2Um. В течение второй половины отрицательной полуволны ϕ0′станет возрастать и, следовательно, ϕ1′>ϕ1.Выпрямитель V2 закроется. Когда потенциал ϕ0′ станет снова положительным и будет возрастать, то в какое-то время ϕ1<ϕ2′ и ϕ0<ϕ1′. Выпрямители V1 и V3 откроются. Рис. 3.1. Схема Напряжение на выпрямителе U1-1′ = ϕ1-ϕ1′ = - Umкаскадного генератора Umsinωt будет приложено к конденсатору С2′ через выпрямитель V3 и будет его заряжать в процессе работы до максимального значения, равного UС2′ = -2Um. При уменьшении потенциала ϕ0′ потенциалы ϕ1′ и ϕ2′ станут больше, чем ϕ0 и ϕ1и выпрямители V1 и V3 закроются. Потенциал точки 2′ будет в дальнейшем изменяться ϕ2′ = UС2′+UС1′+ϕ0′ = -3Um+ Umsinωt. Когда потенциал ϕ0′ станет отрицательным, то в какое-то время ϕ2′<ϕ2 и ϕ1′<ϕ1. В это время откроются выпрямители V4 и V2. Напряжение на выпрямителе V3, равное U2′-1 = ϕ2′-ϕ1= - Um + Umsinωt, будет приложено к конденсатору С2 и зарядит в процессе работы его до максимального значения UС2 = -2Um. Тогда потенциал точки 2 станет ϕ2 = -4Um. Продолжая рассуждения, можно убедиться, что потенциал точки N на выходе генератора станет равным ϕN = -2NUm и будет сохраняться постоянным. Потенциал же точкиN′ ,будет носить пульсирующий характер и изменяться по закону ϕ ' = −(2 N − 1) U m + U m sin ωt , N

где N – число каскадов. а Um – амплитуда питающего напряжения.

23

ЭСВТ ЭЛТИ

В том случае, когда каскадный генератор работает на нагрузку (Rн ≠ ∞), то на выходе схемы возникает пульсация напряжения и падение напряжения в схеме. Для определения пульсаций и падения напряжения необходимо помнить, что каждый конденсатор правой колонны (рис. 1) С1 С2…СN получает заряд от конденсаторов левой колонны того же каскада С1′, С2′… СN′, а каждый конденсатор левой колонны получает заряд от конденсаторов предыдущего каскада правой колонны. Верхний правый конденсатор СN правой колонны за период отдает заряд нагрузке и напряжение на нем понизится на величину Рис. 3.2. изменения схеме рис. 3.1

Диаграмма потенциалов

δU N =

I ср

. f ⋅C Этот заряд пополняется от левого конденсатора этого же каскада СN′, который в свою очередь получает заряд от правого конденсатора предыдущей ступени СN-1. Следовательно, напряжение на этом конденсаторе будет обусловлено как током нагрузки, так и током заряда верхнего левого конденсатора СN′, т.е. I ср I ср I ср δU N −1 = + =2 . f ⋅C f ⋅C f ⋅C Рассуждая аналогичным образом, видим, что пульсация напряжения на конденсаторах возрастает по направлению от верхнего конденсатора к нижнему. Тогда первый снизу конденсатор будет иметь пульсацию, равную I ср δU1 = N . f ⋅C Суммарная величина пульсации на выходе каскадного генератора определиться как I ср N( N + 1) δU = δU N + δU N +1 + ... + δU1 = . ⋅ f ⋅C 2 Анализ падения напряжения более сложен и, не рассматривая его подробно, отметим, что оно выражается зависимостью I ср 4 N 3 + 3N 2 + 2 N ΔU = ). ( f ⋅C 6 С учетом пульсации и падения напряжения в схеме каскадного генератора напряжение на выходе меняется в пределах:

24

ЭСВТ ЭЛТИ

U max = 2 NU m − ΔU, U min = 2 NU m − (ΔU + δU). Диаграмма этого напряжения показана на рис. 3.3. На рисунке 3.3 можно выделить 3 этапа, связанных с работой генератора на нагрузку - в течение времени t2 и t4 закрыты вентили с четными и нечетными номера - (рис. 3.1.). В это время идет разряд конденсаторов правой колонны на нагрузку; - в течение времени t3 открыты вентили с нечетными номерами. В это время одновременно с разрядом конденсаторов правой колонны на нагрузку идет подзаряд конденсаторов левой колонны; - в течение времени t1 открыты вентили с четными номерами. В это время идет подзаряд конденсаторов правой колонны, отдавших заряд в нагрузку. Одновременно с этим конденсаторы левой колонны разряжаются на нагрузку. Пульсации напряжения связаны с разрядом конденсаторов правой колонны на нагрузку, а падение напряжения связано с разрядом конденсаторов левой колонны на нагрузку. Из анализа пульсации и падения напряжения в схеме очевидно, что эти величины зависят от тока нагрузки, емкости конденсаторов, частоты питающего напряжения и числа каскадов. Падение напряжения растет в схеме быстрее, чем напряжение холостого хода при увеличении числа каскадов. Поэтому при создании генераторов используют оптимальное число каскадов Um ⋅ С ⋅ f N опт ≈ . I cp

Рис. 3.3. Форма напряжения на выходе генератора (1) и питающего напряжения (2)

25

ЭСВТ ЭЛТИ

Снижения пульсации и падения напряжения можно добиться увеличением емкости конденсаторов, это приводит к увеличению и удорожанию установки. Другой путь – это питание установки от источника с повышенной частотой. При частотах свыше 500 Гц возрастают диэлектрические потери в конденсаторах и возрастает влияние паразитных емкостей и индуктивностей установки. Снижения пульсации и падения напряжения добиваются использованием симметричных схем каскадных генераторов и использованием таких генераторов на высокоомную нагрузку. 3.2 Описание экспериментальной установки Исследования выполняются на модели каскадного генератора, имеющей 8 одинаковых каскадов (рис. 3.4). В качестве вентилей используются полупроводниковые диоды, емкости каскадов могут изменяться от 60 нФ до 120 нФ. Увеличение емкости происходит при замыкании контактов. Нагрузкой служат резисторы типа КПВ. На передней панели макета расположены контактные клеммы, соединенные с узловыми точками схемы. Измерение напряжения в этих точках производится электростатическим киловольтметром. Для регистрации тока нагрузки используется микроамперметр с электромагнитной системой.

Рис. 3.4 3.3. Порядок выполнения работы 1. Снять распределение напряжения на фильтрующей колонне генератора для частоты 50 Гц питающего напряжения на холостом ходу и трех значений Rн. Результаты занести в таблицу.

26

ЭСВТ ЭЛТИ

2. Снять внешнюю характеристику генератора Uвых = f(Iн) для 3-х значений сопротивления нагрузки и двух значений емкости конденсаторов. Результаты занести в таблицу. 3. Составить программу расчета Uвых и δU на ЭВМ. 4. Рассчитать внешнюю характеристику генератора для исходных значений по п. 2. Результаты занести в таблицу. 5. Построить график экспериментальных и расчетных зависимостей по п.п. 1, 2, 4. 6. Дать объяснения полученным результатам. 3.5. Контрольные вопросы 1. Принцип работы каскадного генератора постоянного тока высокого напряжения. 2. От чего зависит падение напряжения и пульсации на выходе генератора? 3. Какие используются меры для снижения падения напряжения и пульсаций? 4. Чему равно напряжение на вентилях и на конденсаторах в каскадном генераторе? 5. Можно ли беспредельно увеличивать количество каскадов с целью получения больших напряжений? 6. Какую форму имеет напряжение в различных точках каскадного генератора и в каких пределах оно изменяется? 7. Какую форму имеет напряжение при нагрузке и дайте пояснение этой кривой? 8. Объясните физическую сущность возникновения пульсаций и падения напряжения на выходе каскадного генератора. 4. ГЕНЕРИРОВАНИЕ И ФОРМИРОВАНИЕ СТАНДАРТНОЙ ВОЛНЫ ИМПУЛЬСНОГО НАПРЯЖЕНИЯ 4.1. Общие сведения Импульсное высокое напряжение используется для имитации перенапряжений, возникающих при грозовых поражениях элементов энергосистем, при испытании высоковольтной изоляции электрооборудования: трансформаторов, реакторов, выключателей, изоляторов и т.д. Необходимы генераторы импульсных напряжений и при исследованиях, связанных с созданием новых изоляционных материалов и изоляционных конструкций. В настоящее время импульсное напряжение используется при исследовании физики атомного ядра, в электротехнологии для обработки, разрушения диэлектрических и проводящих материалов, в рентгенографии и т.п. Работа большинства генераторов импульсных напряжений основана на принципе, предложенном В.К. Аркадьевым и Н.В Баклиным. Принцип работы 27

ЭСВТ ЭЛТИ

заключается в следующем. Группа конденсаторов заряжается в параллельной схеме соединения до определенного напряжения. Затем с помощью высоковольтного коммутирующего устройства конденсаторы переключаются в последовательную схему включения. В результате напряжение между начало и концом этой цепочки суммируется, достигая величины nU0, где n – число последовательно включенных конденсаторов, а U0 – напряжение, до которого они были заряжены. Автоматическое и быстрое переключение схемы с параллельного на последовательное соединение осуществляется с помощью шаровых искровых промежутков. На рис.4.1 представлен один из вариантов схемы генератора импульсных напряжений (ГИН).

Рис. 4.1. Принципиальная электрическая схема многоступенчатого генератора импульсных напряжений Конденсаторы С заряжаются от источника выпрямленного напряжения через большие сопротивления R1 (защитное) и R0 (зарядные) в течение достаточно большого времени. Причем R1>> R0, что обеспечивает практически одновременный заряд до определенного напряжения всех конденсаторов. К моменту окончания заряда конденсаторов потенциалы точек 1, 3,…19 равны амплитуде зарядного напряжения (+U0) источника Т. Расстояние между шарами искровых промежутков F1…Fn устанавливаются таким образом, чтобы напряжение U0 было достаточно для пробоя только первого искрового промежутка F1. В этом случае как только потенциал точки 1 достигнет значения U0 происходит пробой воздушного промежутка F1 и точка 1 соединяется с землей, принимая нулевой потенциал. В точке 2 потенциал практически мгновенно становится равным - U0, т.к. паразитная емкость С'n через небольшое сопротивление Rу будет заряжена до U0. Потенциал точки 3 в течение некоторого времени сохраняется равным +U0, т.к. эта точка отделена от точки 1 достаточно большим сопротивлением R0. Таким образом на искровом промежутке F2 после пробоя F1 создается разность потенциалов, примерно равная 2U0. Это вызовет пробой промежутка F2, т.к. расстояние в нем значительно больше, чем расстояние промежутка F1, которое пробилось при U0. После пробоя F2 потенциал точки 4 относительно земли станет равным 28

ЭСВТ ЭЛТИ

2U0. Разность потенциалов на промежутке F3 станет равна примерно 3U0, т.к. потенциал точки 5 сохраняется неизменным и практически равным U0. В результате происходит пробой промежутка F3. Проведя аналогичные рассуждения, можно убедиться, что произойдет практически мгновенный пробой всех последующих промежутков. При пробое промежутков F1… Fn все конденсаторы, заряженные до напряжения U0, окажутся соединенными последовательно через искровые промежутки, минуя зарядные сопротивления. Следовательно, напряжение между точками 0 и 21 станет равно: U2 = nU0, а суммарная емкость станет в «n» раз меньше емкости одной ступени ГИН. Как видим, ГИН работает в двух последовательных режимах. Режим зарядки конденсаторов и режим разряда последовательно соединенных конденсаторов. Соответственно этим режимам в схеме ГИН можно выделить зарядную (рис. 4.2, а) и разрядную (рис. 4.2, б) схемы.

а

б Рис. 4.2 Зарядная и разрядная схемы ГИН Надежная оценка электрической прочности изоляции при воздействии грозовых перенапряжений может быть дана только после импульсных ее испытаний. Импульсные испытания являются обязательными типовыми испытаниями. Величина разрядного напряжения при воздействии импульсного напряжения зависит от формы воздействующего на изоляцию напряжения. Поэтому сравнение результатов испытаний изоляции и исследований импульсной электрической прочности изоляции электрооборудования возможно только при полной идентичности воздействий. В связи с этим формы волн импульсных испытательных напряжений во всех странах регламентируются и должны находиться в соответствии с формой волн, 29

ЭСВТ ЭЛТИ

возникающих при грозовых разрядах. Импульсные испытания проводятся полной и срезанной волнами. Полная волна является апериодической волной определенной полярности, которая без заметных колебаний достигает своего наибольшего (амплитудного) значения за короткий промежуток времени и затем более медленно спадает до нуля. Участок волны, на котором напряжение нарастает до амплитудного значения, называют фронтом волны, а последующий участок – хвостом волны. Условия импульсных испытаний и формы испытательных волн, принятые в России, определены ГОСТ 1516-97. Основными параметрами импульсных волн являются: полярность, амплитудное значение Um, длина фронта волны τф и длина волны τв. На осциллографах сложно определить начало волны, поэтому под длительностью фронта понимают длительность спрямленного фронта (рис. 3). Методика определения длительности спрямленного фронта достаточно ясна из рис. 4.3. Длительность волны определяется временем от начала спрямленного фронта до момента, когда напряжение волны снизится до половины амплитудного (рис. 4.3, а). В России в качестве стандартной полной волны принята волна, имеющая параметры: τф = 1,2 ± 0,4 мкс.и τв = 50 ± 10 мкс. В процессе работы средств защиты от атмосферных перенапряжений, а также при пробое изоляционных промежутков вблизи шин подстанции на изоляцию электрооборудования подстанции возможно воздействие так называемых срезанных волн. При срезе волн создается высокая скорость изменения напряжения, в результате чего на продольной изоляции трансформаторов, реакторов и электрических вращающихся машин возникают большие градиенты напряжения, опасные для изоляции.

а б Рис. 4.3. Формы полной и срезанной стандартных волн импульсных напряжений В связи с этим испытания такого оборудования проводят как полными, так и срезанными волнами. Срезанная волна импульсного напряжения представляет из себя полную волну, срезанную при определенном времени с 30

ЭСВТ ЭЛТИ

момента начала (рис. 4.3, б). Длительность такой волны, определяемая до среза, принята: τс = 2,0 ± 0,5 мкс. Причем обратный выброс напряжения после среза не должен быть больше 0,6 Um. 4.2. Регулирование формы волны импульсного напряжения Получение стандартной волны испытательного напряжения обеспечивается включением в разрядную схему генератора импульсных напряжений дополнительных активных и реактивных сопротивлений. При отсутствии дополнительных формирующих элементов в схеме ГИН и работе его на холостом ходу схема замещения разрядного контура и форма волны напряжения на выходе ГИН подобны показанным на рис. 4.4, а, Rк – активное сопротивление разрядного контура (проводов и искровых промежутков), Сп – эквивалентная паразитная емкость ГИН, Rд – активное сопротивление делителя напряжения, Сг – емкость генератора в разряде. Напряжение на выходе имеет апериодическую форму с наложенными колебаниями на фронте волны и на спадающей части импульса. Колебания на спадающей части импульса вызваны емкостью и индуктивностью разрядного контура. Период этих колебаний может быть определен в первом приближении как Тхх ≅ 2π L п ⋅ С п . Индуктивность разрядного контура Lп может быть определена экспериментальным путем из опыта короткого замыкания ГИН.

Рис. 4. Схемы замещения и соответствующие им стилизованные формы волн ГИН. В этом случае схема замещения и форма волны напряжения подобны показанным на рис. 4, е. Величина напряжения в этом случае определяется dI р U = L'п , dt а период колебаний Т кз ≅ 2π L п ⋅ С г , где L'п - индуктивность отрезка провода, параллельного которому подключен делитель. Согласно требованиям ГОСТа амплитуда наложенных колебаний на спадающей части импульса или 31

ЭСВТ ЭЛТИ

единичного выброса после фронта импульса не должна быть более 0,05 Um. Для того, чтобы этого добиться, необходимо в разрядную цепь, если не достаточно активного сопротивления контура, включить дополнительное сопротивление на выходе ГИН – фронтовое сопротивление Rф (рис. 1). Величина этого L сопротивления выбирается из условия R ф ≥ R кр = 2 п . Величина этого Сп сопротивления влияет и на длительность фронта волны. Колебания, возникающие на нарастаемой части импульса, вызваны индуктивностью ступени ГИН Lпс и паразитной емкостью C 'п , шунтирующей зарядное сопротивление. Для их устранения необходимо на каждой ступени ГИН включить в разрядную цепь успокоительные (демпферные) сопротивления Rу (рис. 1). Величина их составляет обычно десятки Ом и выбирается из условия L R у ≥ R 'н = 2 пс . С 'п Эти сопротивления будут оказывать влияние как на длительность фронта импульса, так и на демпфирование колебаний на спадающей части импульса. Схема замещения и форма волны при включении Rу и Rф подобны показанным на рис.4.4, б. Стремление получить стандартный фронт только за счет включения фронтового сопротивления требует весьма больших значений Rф. Это ведет к снижению амплитуды импульса, так как выходное напряжение будет распределяться между Rф и Rд. Чтобы добиться стандартного фронта при относительно небольших значениях Rф, необходимо на выходе ГИН параллельно объекту подключить дополнительную специальную емкость Сф. Схема замещения и форма волны в этом случае подобны показанным на рис.4, в. Таким образом, длительность фронта в первом приближении может быть определена из выражения τ ф = 3,25 ⋅ Т 2 ,

где R 1 = R у + R к + R ф ;

R2 =

Т2 =

R 1 ⋅ R 2 C1 ⋅ C 2 ⋅ ; R 1 + R 2 C1 + C 2

Rp ⋅Rд Rp + Rд

С1 = С г ,

,

С 2 = Сп + Сф .

Регулирование длительности волны осуществляется изменением сопротивления на выходе генератора (рис.4.4,г), т.е. параллельно делителю Rд подключается разрядное сопротивление Rр. Аналитическое выражение для выходного напряжения имеет вид

U 2 = nU 0 η1 (e 32

1 T1

−e

−

1 T2

),

ЭСВТ ЭЛТИ

где η1 – коэффициент использования схемы, Т1 и Т2 – постоянные времени разрядного контура, определяющие длительность волны и фронта импульса. Выражение в скобках – это есть коэффициент использования волны. Максимальное значение этого коэффициента определяется при времени, когда напряжение достигает своего амплитудного значения. Время максимума напряжения определяется из условия равенства нулю первой производной выражения, стоящего в скобках: T T1 ⋅ T2 ⋅ ln 1 T2 tm = . T1 + T2 Коэффициент использования схемы может быть найден из выражения η cх =

R 2 ⋅ C1 . (R 1 + R 2 ) ⋅ (C1 + C 2 )

Схема замещения и форма волны подобны показанным на рис. 4.4 г. Длительность волны может быть определена из выражения

τ в ≅ 0,7 ⋅ T1 ,

T1 = (R 1 + R 2 ) ⋅ (C1 + C 2 ).

В практической работе при испытании оборудования необходимо учитывать, кроме рассмотренных регулирующих элементов, емкость и сопротивление объекта испытания (R0 и С0). При необходимости получить срезанную волну на выходе ГИН включают шаровой разрядник. Регулируя расстояние между шарами, меняют время разряда, добиваясь, чтобы пробой происходил при τс = 2,0 ± 0,5 мкс. Схема замещения и форма волны подобна показанным на рис. 4.4, д. 4.3. Описание экспериментальной установки Установка представляет из себя генератор импульсных напряжений лестничного типа, состоящий из 10 ступеней. Номинальное напряжение каждого конденсатора 100 кВ, а емкость каждого 0,1 мкФ. Зарядка ГИН осуществляется от трансформатора ИОМ 100/25 через кремниевый выпрямитель на 200 кВ обратного напряжения. Зарядные сопротивления выполнены из полиэтиленовых труб, заполненных раствором NaCl. Они же выполняют роль штанг для крепления шаровых разрядников. Одна из труб (штанга) поворачивается вокруг своей оси и тем самым можно менять расстояние искровых промежутков. Измерение напряжения на выходе осуществляется щаровым разрядником с диаметром шаров 5о см. Для осциллографирования выходного напряжения используется омический делитель и осциллограф. Делитель одновременно является разрядным 33

ЭСВТ ЭЛТИ

сопротивлением для ГИН. В качестве фронтовой емкости используется система конденсаторов с параллельно-последовательным соединением с суммарной емкостью 1120 пФ на напряжение 600 кВ. Имеется набор сопротивлений и закороток. Управление работой ГИН осуществляется с пульта. 4.4. Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться со схемой, устройством и работой генератора импульсных напряжений. 2. Установить с помощью измерительного шарового разрядника амплитуду импульса напряжения на выходе ГИН в пределах (100 – 200) кВ. 3. Не включая формирующие элементы, собрать схему короткого замыкания и снять осциллограмму напряжения. Определить период колебаний Ткз. 4. Собрать схему холостого хода генератора и снять осциллограмму напряжения на выходе ГИН. Определить период наложенных колебаний Тхх на спадающей части волны. 5. Проследить по осциллографу за изменением формы волны напряжения при включении формирующих элементов: Rф; Rф и Сф; Rф, Сф и Rр. Определить и записать параметры полученной волны и значения величин формирующих элементов. 6. Подключить шаровой разрядник и получить срезанную волну. Определить и записать время среза. 7. По полученным данным по п.п. 3 и 4 определить паразитную индуктивность разрядного контура ГИН и паразитную емкость ГИН. 8. Рассчитать значения τф и τв для использованных значений формирующих элементов. Сравнить расчетные данные с экспериментальными значениями τф и τв, дать пояснения. 9. Рассчитать значения Rф и Rр, обеспечивающие получение стандартной волны. При расчете использовать величины формирующих элементов Сп, Сф и Rд. 10. Измерить величину зарядного напряжения на входе ГИН (U0) и величину выходного напряжения и определить коэффициент использования разрядной схемы ГИН. время максимума напряжения, коэффициент 11. Рассчитать использования волны (ηв) и коэффициент использования схемы (ηсх). Определить коэффициент использования разрядной схемы ГИН и сравнить его с полученным по п. 10. 4.5. Контрольные вопросы 1. Почему для испытания изоляции используется стандартная форма волны напряжения? 2. Поясните принцип работы ГИН. 34

ЭСВТ ЭЛТИ

3. Назовите параметры стандартной волны и поясните методику их определения. 4. Поясните, как регулируется длительность фронта импульса, длительность волны, амплитуда напряжения на выходе? 5. Поясните, почему изоляция трансформаторов, реакторов и вращающихся машин должна испытываться полной и срезанной волнами? 6. Поясните, почему в схеме ГИН (рис. 4.1) должны соблюдаться соотношения: R1>> R0, Cг>>С2, Rф < Rд. 7. Поясните как изменить полярность выходного напряжения ГИН и частоту срабатывания ГИН.

5.ИЗМЕРЕНИЕ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ 5.1. Общие сведения Измерение высоких напряжений является одной из сложных проблем в высоковольтной технике. Сложность измерения высоких напряжений обусловлена тем, что на точность измерения оказывают влияние факторы, имеющие сложные и случайные зависимости от частоты, напряжения, тепловых явлений и внешних условий. Влияние этих факторов не представляется возможным полностью исключить, поэтому их необходимо уметь учитывать. К таким факторам относятся емкостные связи между элементами измерительной системы, сопротивление утечки, коронный разряд, частичные разряды в изоляционных конструкциях, зависимость величины сопротивления резисторов от напряжения и температуры и т.п. Выполнение конструкции измерительных устройств и приборов в соответствие с требованиями техники высоких напряжений позволяет уменьшить влияние мешающих факторов и тем самым обеспечить достаточно высокую точность получения измеряемой величины и формы напряжения. Существующие высоковольтные измерительные устройства и методы измерения можно разбить на две основные группы. 1. Методы и устройства, позволяющие измерить полную величину напряжения. 2. Методы и устройства, позволяющие измерять часть напряжения и определять полное напряжение по коэффициенту пропорциональности устройства. Наиболее широкое распространение при измерении переменных, постоянных и импульсных напряжений в научно-исследовательских и промышленных лабораториях получили шаровые измерительные разрядники, электростатические киловольтметры и делители напряжений в сочетании с низковольтными регистрирующими и измерительными приборами.

35

ЭСВТ ЭЛТИ

5.1. Измерение шаровым разрядником Шаровой измерительный разрядник весьма широко используется для измерения высокого напряжения благодаря простоте устройства и приемлемой для практики точности, которую можно получить при правильной методике измерения с соблюдением определенных ГОСТ требований. Измерение высокого напряжения шаровыми разрядниками основано на использовании зависимости величины пробивного напряжения воздушного промежутка между электродами от расстояния между ними. Для измерения следует использовать промежутки с однородным или слабонеоднородным полем, в которых значения напряжения возникновения условия самостоятельного разряда и напряжения искрового пробоя близки и имеют линейную зависимость от расстояния. Шаровые разрядники позволяют измерить высокие напряжения в широком диапазоне от десятков киловольт до нескольких мега вольт. Разрядное напряжение шарового разрядника является функцией расстояния между шаровыми электродами и их диаметра. Величина напряжения, при котором произошел пробой, определяется по специальным таблицам (ГОСТ 17512-72). В таблицах приведены амплитудные значения пробивных напряжений в зависимости от диаметра шаровых электродов и расстояния между ними для нормальных атмосферных условий. За нормальные атмосферные условия принято: давление воздуха 760 мм ртутного столба и температура 20оС. Влияние влажности воздуха на разрядное напряжения в однородных и слабонеоднородных полях незначительно, поэтому его не учитывают. При измерении импульсных напряжений учитывается эффект полярности измеряемого напряжения. При соблюдении нормированных ГОСТ 17512-72 условий измерения метод измерения шаровыми разрядниками обеспечивает достаточно высокую точность измерения постоянных, переменных и импульсных напряжений с длительностью фронта не менее 10-6 с. Погрешность измерения высоких напряжений не превышает ±3 % при условии, что расстояние между шаровыми электродами находится в пределах S ≤ 0,5D, где D-диаметр шаров. При соотношении 0,5D < S ≤ 0,75D не гарантируется указанная погрешность и поэтому значения пробивных напряжений в таблице даны в скобках. В практике измерения применяется горизонтальное и вертикальное включение шаровых разрядников (рис. 5.1). При вертикальном расположении один шар всегда заземлен, а при горизонтальном расположении один шар может заземляться или оба быть незаземленными. При измерении напряжения необходимо соблюдать ряд основных требований, которые обеспечивают достаточную точность измерения. 1. Конструктивное исполнение измерительных разрядников и размеры шаров должны соответствовать ГОСТ 17512-72. между электродами должно соответствовать 2. Расстояние соотношению S ≤ 0,5D. 3. Шаровые разрядники должны быть удалены от окружающих предметов на установленное нормами расстояние. 36

ЭСВТ ЭЛТИ

4. Шары должны иметь гладкую поверхность и сферичность. 5. Напряжение должно подводиться к стержню крепления шара на расстоянии от шара не меньше его диаметра. При этом подводящие провода должны быть расположены по оси шарового разрядника или перпендикулярно его оси. При измерении напряжений с амплитудой меньше 50 кВ разрядниками любого диаметра и любых напряжений шаровым разрядником диаметром меньше 12,5 см рекомендуется облучение межэлектродного промежутка. Облучение может осуществляться радиоактивными препаратами или кварцевыми ртутными лампами. Измерение постоянных и переменных напряжений шаровыми разрядниками осуществляется двумя способами. 1. Устанавливается необходимое расстояние между электродами, а затем подается напряжение на шаровой разрядник. Затем электроды сближаются до возникновения разряда между ними. По таблицам определяется величина напряжения, при котором возник разряд. 2. Устанавливается заведомо большое расстояние между электродами и подается напряжение на шаровой разрядник. Затем электроды сближаются до возникновения разряда между ними. Определяется расстояние S, при котором произошел пробой и по таблицам определяется искомое напряжение.

Рис. 5.1. Шаровой измерительный разрядник: а – вертикальное расположение; б – горизонтально расположение; 1- изоляционная конструкция крепления шаров; 2- стержень крепления шаров; 3 – механизм перемещения шаров; Р – место развития разряда; А и В – расстояния до окружающих предметов. Величина напряжения определяется как среднее из трех последовательных измерений с интервалом не менее 1 минуты. Перед началом измерения рекомендуется произвести несколько предварительных разрядов. В тех случаях, когда измерения производятся в нестандартных атмосферных условиях, для 37

ЭСВТ ЭЛТИ

получения истинного значения напряжения необходимо ввести поправку “К” в зависимости от относительной плотности воздуха “δ”. δ=

0,386 ⋅ P , 273 + t

где Р – давление воздуха, мм рт. ст.; t - температура воздуха, градусы Цельсия. Истинное значение пробивного напряжения в этом случае будет равно Uис = К⋅Uтаб, где Uтаб – значение разрядного напряжения, взятое из таблиц, а К=f(δ). Для значений относительной плотности в пределах от 0,95 до 1,05 коэффициент К=δ и истинное значение напряжения можно определить как Uис = δ⋅Uтаб. При измерении амплитуды импульсных напряжений определяют так называемое 50% - ное импульсное напряжение. Дело в том, что изменение вероятности пробоя между шарами от 0 до 100% происходит в сравнительно узком диапазоне изменения амплитуд, подаваемых на электроды импульсов. Поэтому принято измерение амплитуд импульсных напряжений производить при 50% вероятности пробоя. Измерение импульсных напряжений можно проводить двумя путями. 1. Для получения 50%-ного импульсного пробивного напряжения изменяют расстояние между шаровыми электродами (при Umax= const) или изменяют напряжение ГИН (при S= const). Изменение проводят ступенями – не более 2% ожидаемой величины пробивного расстояния или пробивного напряжения. На каждой ступени делают шесть приложений импульсных напряжений с интервалом не менее 5 с. Значение разрядного напряжения, дающего 50% - ную вероятность пробоя, определяют интерполяцией между двумя отсчетами расстояния или напряжения. Один отсчет соответствует одному или двум пробоям из шести приложений, а второй отсчет – четырем или пяти пробоям. 2. Для получения 50% -ного импульсного пробивного напряжения изменяют расстояние между шаровыми электродами или напряжение ГИН таким образом, чтобы между электродами возникало от четырех до шести пробоев из 10 приложений импульсного напряжения. Полагается, что в этом случае амплитудное значение напряжения соответствует 50% -ному разрядному напряжению и может быть определено из стандартных таблиц. При измерении импульсных напряжений стандартными таблицами можно пользоваться, если импульсы напряжения имеют длительность не менее 5 мкс, а время нарастания напряжения не менее 1 мкс.

38

ЭСВТ ЭЛТИ

5.2. Измерение электростатическим киловольтметром Для прямого измерения высокого напряжения применяют электростатические киловольтметры. Принцип измерения напряжения электростатическим киловольтметром основан на измерении сил электрического поля, возникающих между заряженными электродами (рис. 5.2). Под воздействием напряжения U, приложенного к пластинам 1 и 2, образующим плоский конденсатор, между ними возникает сила взаимодействия, стремящаяся сблизить их. Перемещение подвижной пластины 3 уравновешивается механической силой системы ее крепления. Эта сила пропорциональна квадрату напряжения и может быть выражена как ε ⋅ ε0 ⋅ S F= ⋅ U2 = K ⋅ U2, 2⋅l2 где S – площадь электродов, образующих плоский конденсатор, а l – расстояние между электродами. Рис. 5.2. Схема устройства электростатического киловольтметра: 1 –высоковольтный электрод; 2 – заземленный электрод-экран; 3 – подвижный электрод; 4-шкала. Система крепления подвижного электрода при помощи специального оптического устройства, регистрирующего отклонение его от положения равновесия, позволяет измерить действующее значение напряжения. Приборы, в которых измеряется абсолютная величина силы F и определяется таким образом напряжение, получили название абсолютных электростатических киловольтметров. В практике технических измерений используются относительные электростатические киловольтметры непосредственного отсчета измеряемого напряжения. К этому классу киловольтметров относятся приборы: С-96 (трехпредельный –7, 15, 30 кВ), С100 (симметричный, трехпредельный – 25, 50, 75 кВ), С-101 (трехпредельный – 100, 200, 300 кВ). Для получения достаточной равномерности шкалы подвижный электрод и отверстие в электроде-экране 2 имеют специальную форму. Электростатические киловольтметры имеют относительно малую погрешность ±(1,0 ÷ 1,5) %, небольшую входную емкость порядка 18 пФ и позволяют измерять постоянное и переменное напряжения с частотой от 45 Гц до 500 кГц. При измерении необходимо следить за тем, чтобы окружающие заземленные предметы находились на расстоянии, оговоренном нормативами прибора.

39

ЭСВТ ЭЛТИ

5.3. Измерение напряжения с использованием делителей Делитель напряжения – это измерительное устройство, представляющее из себя цепочку последовательно соединенных элементов, имеющих активное или реактивное сопротивление, один конец которой заземляется, а на другой конец подается измеряемое напряжение. Делитель напряжения содержит низковольтное плечо, к которому присоединяется измерительный прибор, и высоковольтное плечо. Делители характеризуются коэффициентом деления. Это отношение полного сопротивления делителя к сопротивлению низковольтного плеча делителя. Делитель должен удовлетворять основному требованию: напряжение на низковольтном плече должно по форме повторять измеряемое напряжение, приложенное к высоковольтному плечу. Для этого необходимо, чтобы: 1. Коэффициент деления не зависел от частоты. 2. Коэффициент деления не зависел от величины и полярности измеряемого напряжения. 3. Величина сопротивления делителя не зависела от напряжения, температуры и включение делителя не оказывало влияния на измеряемое напряжение. Делители напряжения используются для измерения постоянных, переменных и импульсных напряжений. Однако из-за существенного различия в требованиях к делителям при напряжениях различного вида обычно делители изготавливают для измерения какого-либо одного вида напряжения. При создании делителей на высокие классы напряжений (порядка 106 и более) такой подход оказывается неэкономичным. Поэтому в последние годы были созданы универсальные делители, позволяющие измерять все виды напряжений. К ним можно отнести серию делителей, разработанных в ВЭИ (УИК-1, УИК-2, УИК-4 и др.). Цифры в наименовании указывают амплитуду напряжения грозового импульса в мегавольтах. Делители изготавливаются: 1. Омические. 2. Емкостные. 3. Емкостно-омические. Наиболее полная эквивалентная схема делителя напряжения, состоящая из N одинаковых элементов (рис. 5.3), может рассматриваться как длинная линия, заземленная с одного конца.

40

ЭСВТ ЭЛТИ

Рис. 5.3. Общая схема замещения делителя а – схема замещения элемента делителя Принятые обозначения в схеме определяют: R' –активное сопротивление элемента делителя; L' – индуктивность элемента делителя; С'з – емкость элемента делителя на землю; С' – продольная емкость элемента делителя; С'х – включенная емкость последовательно с элементом делителя. Из этой схемы замещения как частный случай можно получить любые схемы замещения делителей – омического, емкостного, емкостно-омического. Способность делителя верно передавать измеряемый импульс характеризуется коэффициентом передачи (частотная характеристика). Это отношение комплексной амплитуды выходного напряжения к комплексной амплитуде входного напряжения. Расчет характеристик передачи напряжения весьма громоздок в силу сложных схем замещения делителей. Однако эти характеристики могут быть определены экспериментальным путем при подаче на вход прямоугольного импульса U= U0⋅h(t). Реакцией на выходе является так называемая переходная функция h(t) измерительной системы. Омический делитель для измерения постоянных н ап р я ж е н и й. При измерении постоянных напряжений нет смысла рассматривать частотные характеристики делителя. Схема замещения в этом случае представляет из себя активное сопротивление элемента делителя и сопротивление утечки элемента на землю. Погрешность измерения напряжения омическим делителем в этом случае будет определяться качеством резисторов температурной зависимостью их –сопротивления; влиянием токов утечки по изоляционной конструкции и их нелинейной зависимостью от напряжения ; влиянием коронного разряда. Следовательно, для измерения с малой погрешностью делитель должен быть некоронирующим, сопротивление его должно быть на несколько порядков 41

ЭСВТ ЭЛТИ

меньше сопротивления утечки. С другой стороны, сопротивление делителя должно быть не очень малым, чтобы ограничить ток через делитель, отбираемую им мощность и тем самым уменьшить температуру элементов делителя и влияние его на измеряемое напряжение. Конструкция делителя должна обеспечивать достаточную интенсивность отвода тепла, выделяющегося на токопроводящих элементах его. Омические делители для измерения постоянных напряжений могут быть выполнены намоткой из высокоомной проволоки (нихром, константан и др.) или из керамических поверхностных и объемных резисторов. Отечественная промышленность выпускает стабильные проволочные резисторы (МВСГ, МРГЧ, МРХ) и высоковольтные высокомегаомные резисторы (С5-23, С5-24, С5-24А, С5-50, С5-51), пригодные для создания точных делителей. Там, где не требуется высокая точность, можно использовать и другие типы поверхностных и объемных резисторов. О м и ч е с к и й д е л и т е л ь д л я и з м е р е н и я пе р е м е н н о г о и и м п у л ь с н о г о н а п р я ж е н и я. Схема замещения таких делителей может быть получена, если в общей схеме замещения полагать С'х →∞. Для изготовления могут быть использованы проволочные сопротивления и керамические резисторы. Проволочные сопротивления обладают существенной индуктивностью. Снижение индуктивности в этом случае можно добиться, выполняя бифилярную намотку сопротивлений. На характер передачи напряжения решающее влияние оказывают паразитная емкость на землю СЗ и индуктивность L, определяемые конструкцией делителя. Наличие паразитных параметров приводит к колебательным процессам в делителе. Для устранения возникающих колебаний необходимо их демпфирование. Хорошее демпфирование будет при условии R ≥ 2π

L Cз

или если R выразить через индуктивную постоянную делителя τL= L/R, то 4π 2 ⋅ τ L ⋅ R≈ CЗ Влияние индуктивности на измерения определяется его постоянной времени τL. У высокоомных делителей, несмотря на их большую индуктивность, ее влияние мало, т.е. τL мала. У низкоомных делителей это влияние более существенно. Паразитная емкость на землю приводит к неравномерному распределению напряжения вдоль его длины из-за токов, оттекающих на землю. Это приводит к изменению коэффициента деления. Для уменьшения влияния паразитной емкости на землю делители снабжают экранами (колоколообразными, тороидальными или экранами по всей длине – цилиндрическими). Экраны 42

ЭСВТ ЭЛТИ

подсоединяются к высоковольтному концу делителя, а цилиндрический экран соединяется и с землей. При измерении синусоидального напряжения из-за наличия паразитной емкости и индуктивности делителя возникают погрешности, которые определяются в основном произведением R⋅СЗ. Выделяют амплитудную δU и угловую ϕU погрешности, которые при синусоидальном напряжении могут быть выражены как δU = −0,3(ω ⋅ τ 3 ) 2 , ϕ U = arc tg (ω ⋅ τ 3 ),

где τЗ = R⋅СЗ. Применение делителей малого сопротивления и малого габарита (СЗ мало) позволяет уменьшить погрешности. Но низкоомный делитель на высокие напряжения выполнить затруднительно. Обычно такие делители изготавливаются на напряжение до 100 кВ. При измерении импульсного напряжения омическим делителем возникают еще более сложные проблемы, связанные с высокими скоростями изменения напряжения. Переходная функция омического неэкранированного делителя при воздействии прямоугольного импульса будет иметь вид

h(t) =

Un UN

⎧ ⎫ ⎡ ⎤ ⎪⎪ ∞ (−1) k n ⎪⎪ k 2π2 t = ⎨1 + 2 ∑ . exp ⎢− 2 2 ⎥⎬ C 2 2 N⎪ k =1 + ⋅ π R ( C C k ) ⎢ ⎥ 3 ⎣ ⎦⎪ 1 + ( )k π ⎪⎩ ⎪⎭ C3

Выражение получено в предположении, что L=0 и Sin kπ(n/N)≈kπ(n/N). Отношение n/N – это величина, обратная номинальному коэффициенту деления, и первый член выражения h(t) представляет линейное распределение напряжения. Сумма экспонент характеризует отклонение от линейного распределения напряжения, т.е. погрешность измерения. Погрешность имеет комплексный характер и в ней можно выделить амплитудную и угловую погрешность. Для упрощения выражения передаточной функции используют более простую схему замещения делителя (рис. 5.4), которая позволяет заменить бесконечную сумму экспонент одной экспонентой. Погрешность, вносимая такой заменой, является приемлемой для практических расчетов. Переходная функция такой схемы замещения делителя примет вид n h ( t ) = (1 − e N

43

−

t τ3

),

ЭСВТ ЭЛТИ

где τЗ = R⋅СЗ/6.

Рис. 5.4. Упрощенная схема замещения омического делителя R1 и R2 – сопротивления высоковольтного и низковольтного плеча делителя Е м к о с т н ы й д е л и т е л ь. Схему емкостного делителя можно получить, полагая в общей cхеме L=0, R=0, C=0 (рис. 5.3). Переходная функция такого делителя будет иметь вид h(t) =

C n (1 − 3 ). N 6C X

Из выражения видно, что чисто емкостный делитель воспроизводит процесс с постоянной погрешностью, которая не зависит от частоты. Реальные емкостные делители имеют конечные значения индуктивности и сопротивления, что приводит к большим погрешностям при измерении переменных и импульсных напряжений с крутым фронтом. Е м к о с т н о – о м и ч е с к и е д е л и т е л и. Их схема замещения получается из общей (рис.3) в предположении L=0, CХ→∞. Для такого делителя упрощенное выражение передаточной функции будет иметь вид t

C3 − τ n h ( t ) = (1 − e ), N C где τ= R⋅С. Погрешность измерения, как следует из этого выражения, определяется величиной отношения С3/С и уменьшается во времени с постоянной τ. На синусоидальном напряжении амплитудная и угловая погрешности также определяются отношением С3/С и имеют вид

(ωτ) 2 1 C3 δU = ⋅ ⋅ ; 6 C 1 + (ωτ) 2 1 C ωτ . ϕU = ⋅ 3 ⋅ 6 C 1 + ωτ

44

ЭСВТ ЭЛТИ

Как видно из этих выражений, при С>>С3 погрешности могут быть малыми при любых частотах. Следовательно, емкостно-омические делители при соответствующем подборе параметров могут передавать с малой погрешностью постоянное, переменное и импульсное напряжения. 5.2. Описание экспериментальной установки Лабораторная установка для выполнения данной работы должна содержать три типа источников высокого напряжения: каскадный генератор постоянного тока, испытательный трансформатор на 100 кВ (ИОМ-100/25) и генератор импульсных напряжений на 1000 кВ. К источнику напряжения ИН (один из названных) рис. 5.5 могут быть подключены электростатический киловольтметр (С-96, С-100, С-101), шаровой измерительный разрядник (диаметр шаров 50 см), омический делитель напряжения с осциллографом.

Рис. 5.5. Принципиальная схема установки: Р – электростатический киловольтметр; F – испытательный шаровой разрядник; R1-R2 – делитель напряжения; N – осциллограф; ИН – источник напряжения 5.3. Порядок выполнения работы 5.3.1. Измерение постоянного напряжения По схеме рис. 5.5 подключить каскадный генератор постоянного тока, электростатический киловольтметр и шаровой разрядник. Повышая напряжение, установить по шкале электростатического киловольтметра какоелибо произвольное значение напряжения. Затем, сближая шары, добиться их пробоя, определить расстояние между шарами S и по таблицам определить UПР. Введя поправку на плотность воздуха, определить истинное значение напряжения. Произвести 3÷5 измерений напряжения. 5.3.2. Измерение переменного напряжения По схеме рис. 5 подключить трансформатор ИОМ-100/25, электростатический киловольтметр и шаровой разрядник. Повышая напряжение, установить произвольное значение напряжения по шкале электростатического киловольтметра. Затем, сближая шары, добиться пробоя, 45

ЭСВТ ЭЛТИ

измерить расстояние между шарами S и по таблицам определить UПР. Введя поправку на плотность воздуха, определить истинное значение измеряемого напряжения. Произвести 3÷5 измерений напряжения. 3.3. Измерение импульсного напряжения с использованием шарового разрядника и делителя напряжения Используя схему при измерении импульсного напряжения для произвольной амплитуды напряжения (минимальное значение), снять осциллограмму напряжения на осциллографе и определить отклонение луча при амплитудном значении напряжения. Затем, меняя расстояние между измерительными шарами, добиться, чтобы из 10 поданных импульсов в 4÷6 случаях возникал пробой шарового разрядника. Определить для этого случая расстояние S и по таблицам определить значение напряжения. Введя поправку на плотность воздуха, определить истинное значение измеряемого напряжения. По полученным данным построить градуировочную кривую делителя напряжений U=f(l), где l – отклонение луча на экране осциллографа, а U – соответствующее этому отклонению амплитудное значение импульсного напряжения. 5.4. Контрольные вопросы В чем заключается принцип измерения напряжения электростатическим 1. киловольтметром, шаровым разрядником и делителями напряжений? Какие виды напряжений можно измерить перечисленными 2. измерительными устройствами? Какие значения напряжения (среднее, действующее, мгновенное, 3. амплитудное) можно измерить перечисленными измерительными устройствами? Требования, предъявляемые к делителям напряжений, шаровым 4. разрядникам при измерении на высоком напряжении. Достоинства и недостатки измерительных устройств, рассматриваемых в 5. работе. Какие факторы влияют на точность измерения измерительных устройств, 6. рассматриваемых в работе, и способы уменьшения воздействия этих факторов. Какие резисторы применяются при создании омических делителей для 7. измерения постоянных, переменных и импульсных напряжений? Что такое передаточная функция и как она определяется 8. экспериментально? Укажите области наилучшего использования омических, емкостно9. омических и емкостных делителей при измерении напряжений.

46

ЭСВТ ЭЛТИ

Литература 1. Техника высоких напряжений/Под ред. М.В. Костенко –М.: Высшая школа, 1973. – 528 с. 2. ГОСТ 1516-76. Электрооборудование переменного тока на напряжение от 3 до 500 кВ. Требования к электрической прочности изоляции. 3. ГОСТ 1516.2-76. Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжение 3 кВ и выше. Общие методы испытаний электрической прочности изоляции. 4. Высоковольтное испытательное оборудование и измерения /Под ред. А.А. Воробьева. -М.-Л.: ГЭИ, 1960.- 584 с. 5. Здрок А.Г., Самотин А.А. Выпрямительные устройства электропитания и управления, - Л.: Энергия, 1975.-364 с. 6. Техника высоких напряжений /Под ред. М.В. Костенко.- М.: Высшая школа, 1973.-528 с. 7. Альбертинский Б.И., Свиньин М.В. Каскадные генераторы. -М.: Атомиздат,1980. –195 с. 8. Смирнов С.М., Терентьев П.В. Генератор импульсов высокого напряжения.М.-Л.: Энергия, 1964. –239 с. 9. Гончаренко Г.М., Дмоховская Л.Ф., Жаков Е.М. Испытательные установки и измерительные устройства в лабораториях высокого напряжения. - М.: МЭИ, 1966. – 159 с. 10. Ашнер А.М. Получение и измерение импульсных высоких напряжений. М.: Энергия, 1979.- 120 с. 11. Шваб А. Измерения на высоком напряжении. – М.: Энергия, 1983.- 262 с. 12. Кужекин И.П. Испытательные установки и измерение я на высоком напряжении. – Л.: Энергия, 1980.- 136 с. 13. Болотин И.Б., Эйдель Л.Э. Измерения в переходных режимах короткого замыкания.- Л.: Энергия, 1981.- 192 с.

47