Стартовая >> Архив >> Подстанции >> Измерения на высоком напряжении

Измерение электростатических величин - Измерения на высоком напряжении

Оглавление
Измерения на высоком напряжении
Осциллографы с памятью и фотографической регистрацией
Цифровые системы с запоминанием
Измерительные кабели
Электромагнитная совместимость
Измерения с помощью дифференциальных усилителей
Измерения высоких импульсных напряжений при помощи делителей напряжения и осциллографов
Высокоомные резисторы и делители напряжения
Измерение максимальных значений напряжений шаровыми разрядниками
Измерение максимальных значений переменных и импульсных высоких напряжений
Измерение электростатических величин
Чувствительность элементов мостов
Заключительные замечания

3.7. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
С появлением химических волокнистых материалов и со все возрастающим применением пластмасс в технике и быту процессы электростатической зарядки и связанные с ними технологические проблемы и опасности приобретают все большее значение. Электростатические заряды возникают при разделении двух веществ, по крайней мере одно из которых является диэлектриком, в противном случае сразу же происходит выравнивание зарядов. Возникновение зарядов сопровождается накоплением зарядов одного знака. Разделение зарядов возникает, например, при движении пластмассовой или бумажной ленты по роликам в текстильной индустрии, в ротационных печатных   машинах, в киноиндустрии, при изготовлении стекловаты, при протекании изоляционной жидкости по трубам gри заполнении баков самолетов и пластмассовых бензинных канистр, при завихрении пыли, разбрызгивании аэрозолей и т. д. Природа электростатических явлений очень разнообразна и к настоящему времени не до конца выяснена [261, 262].
Предпосылкой для борьбы с электростатическими зарядами и для разработки способов их устранения являются измерительные приборы и методы воспроизведения измеряемых величин, отображающие эффективность принятых мер. Так же как и при измерениях частичных разрядов (см. гл. 7), использование сложных и дорогих приборов еще не дает гарантии правильных результатов измерений. Достоверности исследований способствуют выбор измерительного устройства, внешние обстоятельства и правильная интерпретация измеренных величин. Еще в главе, посвященной измерениям быстро изменяющихся напряжений, введено понятие обратного влияния измерительного устройства на источник напряжения. Из-за его большого значения для измерений электростатических зарядов еще раз остановимся на нем. Измерительное устройство работает без взаимного влияния, если не изменяется временной ход измеряемых величин при подключении к источнику измерительного устройства. При измерениях высокого напряжения это имеет место, если внутреннее сопротивление измерительного устройства намного выше внутреннего сопротивления источника, напряжение которого измеряется. Но при измерениях электростатических зарядов это условие не всегда может быть выполнено. В большинстве случаев взаимное влияние существенно и результаты измерений необходимо корректировать с его учетом. Существенным является и то, что обратное влияние как таковое может быть распознано.
Степень электростатической электризации тела в значительной степени зависит от его сопротивления [273]. Оно, в свою очередь, зависит от влажности окружающей атмосферы. Если результаты измерений должны быть воспроизводимы или необходимо сравнение с другими результатами, полученными в другое время и в другом месте, то требуется непременно в протокол вносить климатические характеристики окружающей среды. К ним относятся наряду с относительной влажностью и температурой давление воздуха, так как максимальная величина зарядов и их плотность на поверхности предмета ограничены электрической прочностью воздуха. Кроме того, нужно иметь в виду, что при исследованиях статической электризации одному первичному процессу могут соответствовать различные вторичные процессы. Первичным процессом является собственно разделение зарядов в месте тесного соприкосновения двух веществ. Вторичные процессы приводят к распределению зарядов, которое и измеряется. Ограничение максимальных напряжений вызвано газовым разрядом или токами утечек. Между первичными и вторичными процессами должна быть проведена четкая линия разграничения, чтобы исключить неправильную интерпретацию результатов измерений.
Измеряться могут потенциал или разность потенциалов относительно земли, плотность заряда и напряженность электрического поля. В зависимости от того, является ли электризуемое тело изолятором или изолированным относительно других предметов металлическим предметом, целесообразно измерять тот или иной параметр.
Все точки поверхности заряженного проводника имеют одинаковый потенциал в стационарном состоянии, если нет изменения параметров во времени. Поверхность представляет собой эквипотенциаль. Потенциал или напряжение проводника относительно земли могут быть определены известным способом с помощью подключения к нему вольтметра. В зависимости от внутреннего сопротивления вольтметра измеренное напряжение в большей или меньшей степени соответствует напряжению, которое было перед подключением вольтметра. Чтобы процесс обратного влияния понять лучше, рассмотрим схему замещения измерительного устройства (рис. 156). Изолированный предмет образует емкость С относительно земли и окружающих заземленных предметов.

Рис. 157. Измерения электростатических зарядов, образованных движущейся по роликам изоляционной лентой
Параллельно емкости С включено сопротивление утечки самого предмета, которое очень велико, и во время процесса измерения не происходит заметного разряда емкости. Между зарядом Q проводника, его емкостью С относительно земли и напряжением U существует зависимость: Q = CU.
При подключении вольтметра параллельно емкости С вводятся емкость прибора Cv и его входное сопротивление Часть заряда с емкости С перетекает в емкость Cv, причем напряжение на емкости С + + Cv снижается на величину

Рис. 156. К пояснению обратного влияния измерительного устройства при измерениях электростатических зарядов

Это уравнение является следствием закона сохранения заряда. Ошибка становится заметной, если емкость С очень мала или емкость Cv велика, например в случае применения коаксиального соединительного провода. Показания прибора соответствуют напряжению на предмете, если или вольтметр подключен к нему длительное время, или емкость С намного больше Cv, или уходящий на Cv заряд быстро восполняется источником электризации (что имеет место, например, при измерении напряжения на металлических вальцах, постоянно подзаряжаемых движущейся изоляционной лентой, рис. 157).
Внутреннее сопротивление вольтметров, пригодных для измерения электростатических потенциалов (электрометры и электростатические вольтметры), составляет от 1014 до 1017 Ом и не вызывает за время измерения заметного разряда емкости объекта. Однако это необходимо в каждом случае проверять, так как изоляция входного вывода прибора и соединительных проводников может иметь повышенные утечки вследствие незначительного загрязнения. Для контроля перед началом измерений на вход прибора подают постоянное напряжение и затем наблюдают кривую саморазряда прибора при отключении источника напряжения.
Измерения напряжения электростатически заряженных поверхностей изоляционного материала в значительной степени условны. Если коснуться проводом, идущим к вольтметру, поверхности заряженного тела, то заряд из области, непосредственно прилегающей к месту касания, перетечет на емкость Су, а заряд на окружающих участках останется неизменным. Поэтому потенциал между землей и точкой соприкосновения может составлять всего несколько вольт, в то время как на расстоянии нескольких миллиметров от этого места потенциал может достигать нескольких киловольт. Поэтому понятие потенциала тела из изоляционного материала условно, и потенциал может сильно зависеть от точки измерения [550].
В технической литературе часто можно встретить просто величину напряжения как характеристику электризуемости тела или электростатического состояния тела из изоляционного материала. Следует иметь в виду, что в этом случае речь идет не о фактическом потенциале или напряжении тела относительно земли, а о величинах, полученных с помощью прибора с некоторой емкостью и геометрическими параметрами измерительного устройства, что, естественно, имеет смысл при сравнительных исследованиях. Более убедительными критериями электростатического состояния тел из изоляционных материалов являются заряд или плотность заряда.

Приборы, пригодные для измерений электростатических величин, можно разделить по их принципу действия на механические и электронные электрометры, вольтметры генераторного типа и на изотопные [283].
Принцип действия механических электрометров, как и рассмотренных в § 3.5 электростатических вольтметров, основан на силовом действии электрического поля. При большинстве применений в технике высоких напряжений электростатических вольтметров для измерения постоянных напряжений их можно рассматривать как приборы без обратного влияния на источник, так как в стационарном режиме они не потребляют от источника тока. С кратковременным импульсом тока, заряжающим емкость измерительного прибора, обычно можно не считаться. После отключения электростатического вольтметра от источника постоянного напряжения прибор продолжает еще некоторое время, зависящее от сопротивления утечки, показывать напряжение. В электрометрах это время может быть особенно большим, так как сопротивление утечки может достигать 10+16Ом.
В отличие от многих других ситуаций при исследовании электростатических явлений бросок тока, заряжающего емкость измерительного устройства, вызывает сильное обратное действие на исследуемый процесс. Поэтому при конструировании приборов стремятся всячески уменьшить их емкости. Одновременно достигается повышение чувствительности по заряду, так как сила, действующая на подвижный элемент прибора, пропорциональна квадрату напряжения, а последнее при одном и том же заряде обратно пропорционально емкости.
Из-за чувствительности к вибрациям область применения высокочувствительных механических электрометров ограничена в первую очередь проведением физических фундаментальных исследований в лабораториях. Поэтому описание конструктивного выполнения таких приборов здесь не приводится, сошлемся лишь на специальные работы [274—278].
Для измерений в промышленных условиях лучше подходят электронные электрометры. Первые попытки использовать их вызвали большие трудности, в частности, когда источник измеряемого напряжения имел высокое внутреннее сопротивление (отметим, что это всегда имеет место, если речь идет об электростатических явлениях). Однако эти трудности обычно можно преодолеть в результате проведения соответствующих мероприятий [486]. Очень часто наблюдается электростатическое влияние других предметов, заряженных противоположным знаком и находящихся вблизи неэкранированного входа прибора. Например, это могут вызвать наэлектризованная одежда из синтетических материалов, расческа в кармане и т. д. Выходом из положения может быть полная экранировка всего входного контура (коаксиальная подводка, защитные круглые электроды). Также часто встречаются помехи из-за перемещений измерительного кабеля или зонда. Механические воздействия на измерительный кабель вызывают вследствие трения провода и диэлектрика (обычно полиэтилена) и пьезоэлектрических эффектов внутри диэлектрика помехи на входе электрометра. Специальные помехоустойчивые кабели с графитовым слоем между экраном и изоляцией существенно снижают уровень помех. Помехи, вызванные колебаниями входной емкости за счет перемещения проводов или измерительного зонда (Q = ACAU), могут быть ослаблены в результате применения прочного и массивного механического крепления проводов и зонда.
Так как электронные электрометры предназначены для измерения при электризации, то диапазон измерения лежит в пределах от единиц вольт до нескольких киловольт, а шкала прокалибрована в единицах напряженности электрического поля; предел шкалы составляет в большинстве случаев от нескольких вольт до 30 киловольт на сантиметр/ На рис. 162 показана упрощенная схема электрометрической лампы [279]. Приложенное к сетке напряжение UM управляет анодным током электрометрической лампы. Ток сетки составляет менее 10-15 А. Если не предусматривается специальное сопротивление в цепи сетки, а им является сопротивление утечки изоляции вывода лампы, то достигаются еще меньшие токи. Этот режим работы электрометрической лампы называют режимом «плавающей сетки». Вследствие сильных колебаний сопротивления утечки и комплексного вида сеточного тока [280] предпочтительно иметь фиксированное сопротивление в цепи сетки, что достигается включением сопротивления, примерно на два порядка меньшего, чем сопротивление утечки лампы.
Электрометр, предназначенный для измерения напряженности электрического поля, должен обладать определенной емкостью. На рис. 163 приведена схема для измерения электростатических явлений с помощью электрометра. Между поверхностью S зонда I и противоположной заряженной поверхностью образуется емкость Съ которая вместе со встроенной в прибор емкостью С2 образует делитель напряжения. Снимаемое с С2 напряжение прикладывается на сетку электрометрической лампы. Сигнал с лампы измеряется прибором магнитоэлектрической системы (см. также рис. 159), при этом от измерительного датчика практически не потребляется мощность. Измеряемый сигнал ии? пропорционален величине электростатического напряжения иэл:



Как и всякие усилители постоянного напряжения, электрометрический усилитель обладает изменяющимся уровнем нулевого сигнала (дрейфом нуля). Колебания напряжения питания прибора и нестабильность характеристик электрометрической лампы вызывают смещения

Рис. 162. Схема включения электрометрической лампы
Рис. 163. Электрометр с определенной измерительной емкостью:
/ — измерительная обкладка зонда; 2 — защитное кольцо; 3 — электрометр
рабочей характеристики. Модуляцией приложенного к сетке напряжения, например с помощью динамического конденсатора, можно входной сигнал преобразовать в переменный и затем известными способами стабильно усилить усилителями переменного напряжения [281, 282, 781, 782].
Электростатические приборы для измерения напряжения и напряженности электрического поля с обратной связью позволяют производить бесконтактные измерения потенциалов на поверхности в диапазоне от нескольких милливольт до нескольких киловольт относительно земли. Их принцип действия показан на рис. 164. Измеряемое электрическое поле проникает через отверстие в передней плоскости измерительного датчика и воздействует на чувствительный подвижный электрод. Как и в вольтметрах с генераторным принципом действия, перемещение подвижного электрода вызывает изменение емкости и появления переменного тока в электроде, чувствительном к полю. Амплитуда переменного сигнала пропорциональна разности потенциалов между заряженным предметом и измерительной головкой. Его фаза определяется полярностью заряда. Усиленный переменный сигнал вместе с калибровочным сигналом подводится через разделительный трансформатор к фазочувствительному демодулятору. Сигнал затем поступает через разделительную емкость на высоковольтный операционный усилитель, на выходе которого возникает напряжение той же полярности, что и полярность измеряемого напряжения. При использовании прибора в качестве вольтметра выход усилителя заземляется, и выходное напряжение повышает потенциал изолированной измерительной головки примерно на 0,1% потенциала измеряемой поверхности. При работе в режиме измерения напряженности поля заземляется измерительная головка, однако предусмотренная в ней за измерительным отверстием пластинка получает потенциал, чтобы свести к нулю измеряемое поле у чувствительного элемента [784]. Главная отличительная черта обоих способов состоит в практическом отсутствии дрейфа нуля, а при измерении потенциала — в высоком разрешении по плотностям зарядов и расстоянии до измеряемой поверхности, равном нескольким миллиметрам.
В современных приборах все чаще используются полевые транзисторы [284, 285]. Чтобы полностью исчерпать их возможности в отношении высокого входного сопротивления, их вплавляют в стеклянный корпус, а выводы выполняют в противоположные стороны. Вследствие существенного удлинения пути утечки получается стабильное сопротивление порядка 1016 Ом (см., например, Keithley, модель 642).


Рис. 164. Прибор для измерения напряжений и напряженностей электрического поля с обратной связью и емкостным модулятором (фирма Monroe):
1 — измерительное отверстие; 2 — электрод, чувствительный к полю (конденсатор с колеблющейся обкладкой); 3 — механический привод; 4 — изолирующие трансформаторы или оптические разделительные устройства; 5 — фазочувствительный демодулятор; 6 — интегрирующий усилитель; 7 — обратная связь
Следующая группа электростатических измерительных приборов для измерения напряжений и напряженностей электрического поля, работающих по генераторному принципу, уже подробно рассматривалась в § 3.5. При разработке таких приборов для измерений при электризации принципиально остаются прежними как принцип действия, так и их конструктивное выполнение, и поэтому подробнее их не будем здесь рассматривать.
Наконец, остаются еще изотопные способы, которые с помощью радиоактивного препарата и подходящей электродной системы позволяют производить непосредственные измерения напряженности электрического поля. Принцип действия этих приборов основан, как и счетчиков радиоактивного излучения, на увеличении электропроводности газов при наличии излучения. В счетчиках прикладывают к электродам с резконеоднородным полем постоянное напряжение, которое при наличии излучения вызывает разряд между электродами. Приложенное напряжение и неизвестное радиоактивное излучение совместно приводят к возникновению разряда. Если поменять роли напряжения и излучения, то счетчик можно использовать как измеритель напряженности поля [265]. Внутри изображенной на рис. 165 ионизационной камеры находится радиоактивный препарат (а- источник), создающий в воздушном пространстве между концентрическими электродами определенную электропроводность.

рис. 165. Измеритель напряженности электрического поля с радиоактивным препаратом

Если через отверстие в передней стенке-экране проникает электрическое поле, то возникает газовый разряд, вызывающий падение напряжения на сопротивлении R внешней цепи. Это падение напряжения можно измерить электрометром, и оно является мерой напряженности электрического поля вблизи отверстия прибора. Измеряемый диапазон можно изменять, диафрагмируя отверстие, при этом изменяется проникновение измеряемого поля. Препараты, интенсивность излучения которых ниже допустимой по нормам работы с ними, позволяют измерять напряженности порядка 10 В/см.

 



 
« Изменения кнструкциям по эксплуатации выключателей   Изоляторы элегазовых КРУ »
электрические сети