6.3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ,
ЭКРАНИРОВАНИИ И ЭЛЕМЕНТАХ МОСТОВ
6.3.1. Чувствительность
Под чувствительностью мостов для измерения tg 8 или емкости понимают отношение наименьшего изменения измеряемой величины AZ, при которой по индикатору фиксируется точное уравновешивание моста, к измеряемой величине Z:
Если q мало, говорят о высокой чувствительности моста. При чувствительности нуль—индикатора по току /0, (А/ деление) получается [405, 406]
где U—напряжение питания; Rg— внутреннее сопротивление нуль- индикатора; С2 — емкость эталонного конденсатора; С1 — емкость испытуемого объекта; R4— активное сопротивление четвертого плеча моста (см. рис. 217, пп.6.2.1). Как видно из приведенного уравнения, чувствительность моста растет при увеличении напряжения питания, применении нуль-индикатора с высокой чувствительностью и минимальным внутренним сопротивлением, а также при увеличении емкости эталонного конденсатора.
Увеличение чувствительности за счет повышения напряжения ограничено испытательным напряжением испытуемого объекта. Значение емкости С2 также ограничено высокими требованиями в отношении малых диэлектрических потерь эталонного конденсатора. Наибольшая чувствительность, достигаемая в настоящее время, ограничена в основном исключительно чувствительностью электронных нуль-индикаторов, имеющих конечное отношение напряжений помех в измерительной диагонали моста к напряжениям в третьем и четвертом его плечах относительно земли. При чувствительных и точных измерениях малых значений tg б результаты могут быть искажены из-за угловых погрешностей отдельных элементов моста и из-за помех. Так как устранение погрешностей измерений, описанных подробнее ниже, технически возможно лишь в определенной степени, были разработаны специальные схемы для точного измерения диэлектрических потерь, в которых часть систематических погрешностей уменьшена [388, 389, 406, 419, 420, 424, 427, 432]. В некоторых этих схемах возможно измерение tg б порядка 10“6.
Для оценки точности измерений емкости и tg б испытуемого объекта при заданных напряжении и измерительном устройстве можно воспользоваться разработанными таблицами [408] и уравнениями или номограммами, которые изготовители прилагают к измерительным мостам.
Эталонные конденсаторы
В качестве эталонных конденсаторов С2 при высоких напряжениях (около 20 кВ) применяют почти исключительно конденсаторы, заполненные газом под давлением, и емкостью от 30 до 200 пФ [400, 401]. В конструкциях, впервые предложенных Шерингом и Виевегом [399], сочетается высокая электрическая прочность с малыми диэлектрическими потерями (tg б « 10_6). Конструктивное выполнение и принципиальная электрическая схема показаны на рис. 225 и 226.
В изоляционном цилиндре 4, рассчитанном на высокое давление, находится измерительная (эталонная) емкость, образованная двумя тонкостенными электродами, симметричными относительно оси и выполненными в виде скругленных защитных экранов. Электрод высокого напряжения 1 окружает обкладку низкого напряжения 2 почти полностью и экранирует ее от внешних полей. Подводящие провода к обкладке низкого напряжения проложены в экранирующей несущей стойке 3. Для получения высокой электрической прочности изоляционная труба заполняется технически чистым азотом или углекислым газом под давлением 1,2—2,0 МПа. В современных конструкциях используется элегаз. Как дополнительное заполнение газом, компенсирующее утечки газа, так и выпуск газа нужно производить осторожно, в соответствии с инструкциями завода-изготовителя.
Рис. 225. Конденсаторы, заполненные газом под давлением, на 200, 300, 500 и 800 кВ
Так, заполнение азотом нельзя производить слишком быстро, газ должен находиться в фильтре из силикагеля достаточно долго, чтобы снизилась его влажность.
Давление газа в конденсаторе должно повышаться со скоростью не более 0,1 МПа/мин. При выпуске газа уменьшение давления необходимо осуществлять медленно — со скоростью не более 0,1 МПа/ч, так как более быстрые скачки давления могут привести к разрушению изоляционной трубы.
Изменение емкости при изменении диэлектрической постоянной, зависящей от давления, рассчитывается для конденсатора, заполненного азотом, по следующей формуле:
С{р±Ар) = Ср (1 ± Ар • 56,6), где Ср — емкость, указанная в паспорте конденсатора (номинальная емкость); С(Р±дР) — емкость при изменении давления на Ар, Па.
Рис. 226. Конструкция конденсатора, заполненного газом под давлением:
1 — электрод высокого напряжения; 2 — электрод низкого напряжения с защитным кольцом; 3 — металлическая стойка; 4 — изоляционный цилиндр, способный выдерживать повышенные давления газа; 5 — экран; выводы S и N см. на рис. 227; Е — вывод заземления
Рис. 227. Принципиальная схема конденсатора, заполненного газом под давлением:
1 — электрод высокого напряжения; 2 — электрод низкого напряжения; 3 — защитное кольцо; 4 — внешний экран; 5 — внутренний экран; R и С — сопротивления утечки изоляторов и емкости относительно земли (фирма Micafil)
Для углекислого газа коэффициент в скобках равен 76, а для элегаза — 205 [531]. Изохорное изменение давления газа вследствие колебаний температуры окружающей среды не приводит к изменению емкости, так как плотность газа не изменяется. Механические и тепловые расширения вызывают незначительные изменения емкости, так как небольшие радиальные и аксиальные перемещения коаксиальной цилиндрической электродной системы в первом приближении не влияют на значение емкости [402]. Исследования зависимости емкости конденсатора, заполненного газом, от приложенного напряжения описаны в [403], [833].
Электрическая схема эталонного конденсатора, заполненного газом, с выводами для присоединения измерительного прибора показана на рис. 227. Обкладка низкого напряжения присоединяется к выводу N, а экран — к выводу S. Тележка конденсатора, на которой он установлен, изолирована от нижней части конденсатора и заземлена. Соединение конденсатора с измерительным мостом обычно выполняется коаксиальным кабелем с двойным экраном. При использовании конденсатора, заполненного газом, с мостом Шеринга или просто для измерения высокого напряжения экран (вывод S) соединяется с заземленной тележкой. Оба экрана соединительного кабеля и защитное кольцо 3 конденсатора находятся под потенциалом земли. При измерениях малых tg б внутренний экран соединительного кабеля для уменьшения влияния емкости относительно земли подводится изолированно к мосту и там соединяется с узлом А (см. пп. 6.3.3, рис. 230).
Паразитные емкости и экранирование
На измерения при промышленной частоте, а еще в большей степени в диапазоне звуковых частот оказывают влияние емкости относительно земли, особенно при измерениях с высокой чувствительностью. Отдельные плечи моста связаны между собой не только непосредственно электрически, но и через емкостное и индуктивное влияние. Последнее нежелательно, и в рамках заданных точности и чувствительности оно снижается изготовителем путем экранирования. Сведения об этом содержатся в [384, 385, 389—392, 405, 406, 408].
Рассмотрим вопросы экранирования, с которыми должен быть знаком персонал, использующий мосты, чтобы получать достоверные результаты измерений. Главным источником помех при использовании мостов Шеринга является емкость объекта Сг и эталонного конденсатора С2 относительно земли.
При объектах, оба вывода которых не соединены с землей, имеют место всегда три частичные емкости (рис. 228): емкости между выводами С12 и между каждым выводом и землей: С10 и С20. Емкость С]2 соответствует емкости Сг или С2. Емкости относительно земли С10 и С20 соответствуют паразитным емкостям С{, С'{ и С2, С2, изображенным на рис. 229. Емкости С1', С2 включены параллельно источнику питания и не вызывают никакой погрешности. Емкости С{ и С2 подключены к третьему и четвертому плечам и вызывают появление угловой погрешности (см. § 3.2). В зависимости от длины проводника, соединяющего Сг и С2, емкости С{ и С2 могут колебаться в широких пределах, и влияние их на результаты измерений трудно учесть. Если провод, соединяющий мост с объектом, заключить в экран (использовать коаксиальный кабель), то значения емкостей С{ и С2 становятся вполне определенными.
Параллельное подключение С[ и R 3 вызывает появление в третьем плече угловой погрешности, которая будет тем выше, чем больше сопротивление. Аналогично суммируются в четвертом плече емкость С4 и емкость относительно земли С2. При известных (измеренных или взятых из паспортных данных) емкостях С{ и С1 получается скорректированное значение тангенса угла диэлектрических потерь:
Рис. 228. Конденсатор с частичными емкостями относительно земли:
С12 — продольная емкость; С10 и С2о — паразитные емкости относительно земли
Практически полностью устранить влияние емкости относительно земли позволяет использование кабеля с двойным экраном, соединяющего мост и эталонный конденсатор (рис. 230).
Внутренней жилой кабеля соединяют точку В моста и обкладку низкого напряжения конденсатора С2. Внутренний экран подсоединяется к выводу 5 (см. рис. 227 и пп. 6.3.2) и подводится к вершине А моста, а наружный экран (вывод Е на рис. 227) связан с заземлением моста. При подсоединении внутреннего экрана к точке А моста параллельно нуль-индикатору включается емкость, не оказывающая влияния на уравновешивание моста, хотя и уменьшающая незначительно чувствительность измерений. Емкость между внутренним и наружным экранами является паразитной емкостью С1, включенной параллельно R3, что вызывает увеличение угловой погрешности третьего плеча. Это увеличение можно компенсировать либо последовательным включением с С2 индуктивности [409], либо, как это сделано в универсальном мосте [410, 430, 438], простейшей цепочкой La, С a, Ra (рис. 230). Без соединительных проводов переменная емкость Сл составляет несколько тысяч пикофарад, и угловая погрешность третьего плеча компенсируется индуктивностью La. В этом случае третье плечо в рамках требуемой точности не имеет угловой погрешности. При подключении емкости соединительного провода емкость С л уменьшается до тех пор, пока опять не будет достигнута компенсация.
Рис. 229. Мост Шеринга с емкостями относительно земли
Не следует забывать, что между обкладкой высокого напряжения и внутренним экраном конденсатора, заполненного газом, имеется паразитная емкость 10—20 пкФ, которая при рассмотренных мероприятиях включается параллельно неизвестной емкости Сь что приводит часто к грубым и трудно определяемым погрешностям измерений. Измеренное значение емкости С3 может быть уменьшено на значение паразитной (обычно известной) емкости либо внутренний экран конденсатора, заполненного газом, может соединяться не с внутренним экраном кабеля, а заземляться. В последнем случае параллельно С4 включается паразитная емкость, и необходимо скорректировать результаты измерения tg S.
Рис. 230. Мост для измерения емкости с подводом к эталонному конденсатору с двойным экраном и компенсацией емкостей относительно земли за счет уравновешивания угла погрешности в третьей ветви (фирма Siemens)
Ни в коем случае нельзя с целью получения лучшего заземления наружную оболочку экрана кабеля заземлять в двух точках — у моста и у эталонного конденсатора. Из-за различных потенциалов точек подсоединения к заземлению или за счет индуктированной электромагнитным полем в петле заземления — оболочка кабеля ЭДС в оболочке возникают токи, которые могут привести к значительным погрешностям (см. также § 1.5).
При высоких требованиях к точности измерений помехи за счет паразитных емкостей могут быть уменьшены с помощью специальных схем (вспомогательных ветвей, см. [417, 420]). Первоначально эти ветви предназначались для исключения влияния так называемого эффекта прослушивания фона головных телефонов. При уравновешенном состоянии между вершинами моста А и В отсутствует разность потенциалов, а между диагональю и землей она имеется. Эта разность потенциалов вызывает ток, протекающий через голову измеряющего, если в качестве нуль-индикатора используются головные телефоны. Цепь Вагнера (Z5, Z6) устраняет это явление, при этом точки А и В приобретают потенциал земли (рис. 231).
Экран, не показанный на рис. 231, соединен с точкой Е. Сначала мост уравновешивают обычным образом. Заем переключатель 5 переводят в положение Е и уравновешивают вспомогательную ветвь. Потом нуль-индикатор подсоединяют опять к точкам А и В и мост вновь уравновешивают. Этот процесс в зависимости от свойств сходимости схемы многократно повторяется. В конечном уравновешенном состоянии точки А и В приобретают потенциал точки Е, т. е. потенциал земли, причем между точками А и В и землей нет электрического соединения. Этим самым устраняется эффект прослушивания фона головными телефонами. Одновременно снижается мешающее действие емкостей относительно земли С{ и Сг, в чем и заключается главное преимущество схемы. Емкости С\ и С2 включены параллельно сопротивлениям вспомогательной цепи Z5 и Z6 и поэтому не оказывают влияния на условия уравновешивания моста. Предполагается, что вывод источника испытательного напряжения в схеме на рис. 231, связанный с точкой Z), изолирован от земли (на напряжение несколько сотен вольт). Можно, однако, такую схему использовать и при источнике испытательного напряжения, имеющем один заземленный вывод, если схему заземлить не в точке £, ав точке D. В этом случае влияние паразитных емкостей С[ и С2 устраняется за счет равенства потенциалов (экран остается присоединенным к точке Е). Однако при этом не устраняется эффект прослушивания фона головными телефонами. Необходимо иметь в виду, что резисторы Z5 и Z6 должны иметь достаточно низкое сопротивление, т. е. чтобы жестко определять распределение напряжения. Рекомендации по устранению иногда встречающейся недостаточной сходимости схемы содержатся в [494] и [495]. Некоторые другие схемы, практически не чувствительные к паразитным емкостям относительно земли и используемые при точных измерениях диэлектрических потерь, описаны в [389, 406, 411 — 427].
Рис. 231. Мост Шеринга со вспомогательной цепью Вагнера для исключения влияния емкостей относительно земли
Лучший способ устранения влияния паразитных емкостей относительно земли в мосте Шеринга — использование вспомогательной схемы известной в технической литературе как «автоматическая земля Вагнера» [422, 423]. Включение вспомогательной ветви в схеме на рис. 231 становится возможным благодаря тому, что точки А и В моста могут приобрести потенциал экрана, и тем самым устраняются токи, протекающие через паразитные емкости.
При «автоматической земле Вагнера» достигается тот же результат за счет того, что потенциалы точек А и В приравниваются потенциалу экрана (рис. 232). Экраны кабелей, идущих к объекту и эталонному конденсатору, не заземляются, а подсоединяются к входу операционного усилителя, на который подается напряжение UB между диагональю моста и землей. Благодаря тому что коэффициент усиления выбран равным + 1 (UJUв = 1), экран и вершина В моста находятся под одинаковым потенциалом и (J8 = U в. Операционный усилитель производит трансформацию сопротивлений. Входное сопротивление усилителя выбирается намного большим, чем сопротивление четвертого плеча, и его наличие не сказывается на условии уравновешивания. Выходное сопротивление усилителя имеет малое значение, и экран оказывается практически заземленным через малое сопротивление (около 1 Ом) [421]. Возникающее на выходе усилителя напряжение компенсирует разность потенциалов между диагональю моста и экраном ив.
Рис. 232. Мост Шеринга с «автоматической землей Вагнера»
Конечное значение выходного сопротивления может привести к возникновению напряжений помех, вызванных паразитными емкостями между экраном и ближайшими источниками напряжения (см. §1.4, 1.5). Используя второй экран, непосредственно заземленный, или операционный усилитель с очень малым выходным сопротивлением, напряжение помех можно устранить или снизить до пренебрежимо малого значения.
