ГЛАВА ПЯТАЯ
ИЗМЕРЕНИЯ НА ВЫСОКОМ НАПРЯЖЕНИИ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ НА ВЫСОКОМ НАПРЯЖЕНИИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ
Измерения на высоком напряжении являются одной из труднейших задач. Для измерения действующего и амплитудного значений напряжений при стационарном и неустановившемся режимах предложено значительное число методов и измерительных установок. Методы измерения высокого напряжения можно подразделить на следующие группы:
- Электрометрические, в которых используются двигательные силы, возникающие между электродами в электростатическом поле под влиянием измеряемого напряжения. Классическим прибором этого рода является электрометр.
На этом принципе построены многие вольтметры, измеряющие действующее значение высокого напряжения.
- Измерение по выпрямленному току через конденсатор, включенный на измеряемое напряжение.
- Измерения с использованием неполного разряда, когда наблюдаются явления ионизации, происходящей под влиянием измеряемого напряжения. На этом принципе работают два типа вольтметров: коронный и вольтметр ионного ветра.
Принцип устройства первого заключается в том, что наблюдается появление короны на внутреннем электроде цилиндрического конденсатора со сжатым воздухом в качестве изоляции. Появление короны фиксируется либо визуально, либо регистрируется появление тока в гальванометре или телефоне, включенных в цепь коронируюшего электрода.
В вольтметре с ионным ветром используется изменение сопротивления проволоки, охлаждаемой ионным ветром. Проволока включается в плечо моста Уитстона, и точно определяется изменение ее сопротивления. Этот способ обусловливает высокую точность измерения напряжения.
- Измерения с помощью делителей напряжения, в которых прибором измеряется только часть напряжения, подведенного к делителю.
Индикаторами напряжения и измерительными приборами могут служить микроамперметры, электростатические вольтметры, клидонографы, осциллографы и др. Существенным в данных условиях является изготовление неискажающих делителей напряжения.
- Измерения при помощи разрядников, в которых наблюдается полный разряд, обусловленный измеряемым напряжением.
Из всех существующих типов разрядников наиболее распространенными являются шаровые, для которых существуют градуировочные таблицы. С их помощью определяются постоянное напряжение и амплитуда напряжения промышленной частоты и стандартных импульсов.
- Косвенные методы измерения напряжения путем замера скорости движения заряженных частиц под действием измеряемого напряжения, длины их свободного пробега в веществе, порога ядерной реакции, вызываемой пучком ускоренных заряженных частиц, и пр.
В табл. 5-1 приведены сводные данные о методах измерения высокого напряжения.
Из всех указанных в табл. 5-1 методов измерения широкое распространение получили сравнительно немногие. Все более широкое применение получают методы измерения напряжений (постоянного, переменного и импульсного) при помощи делителей напряжений. Эти устройства сравнительно просты, дешевы и обеспечивают достаточную точность измерения.
Для непосредственного измерения импульсного напряжения все шире применяется электронный осциллограф, дающий возможность записать форму импульсного напряжения.
К приборам с непосредственным отсчетом можно предъявить следующие требования:
возможность непосредственного отсчета напряжений: малая погрешность измерения;
возможно более равномерная шкала;
Эффективной поверхностью являются обе стороны пластины а. Ход кривой S=f(L) для обычного инструмента определяется экспериментально. Расчетное определение возможно лишь для геометрически простых форм.
В электростатических приборах сила, необходимая для возврата подвижной пластины в первоначальное положение, обычно незначительна, особенно если диэлектриком между конденсаторными пластинами является воздух с давлением, равным 1 ат. Поэтому здесь нельзя применить спиральную пружину для создания указанной силы. Эта сила создается тонкой металлической нитью, работающей на скручивание. Прибор, действующий по указанному принципу, применим для постоянного и переменного напряжений, так как в выражение, определяющее величину F, напряжение U всегда входит в квадрате.
Измерения высокого напряжения с помощью электростатических приборов могут быть абсолютными и относительными. Абсолютные измерения производятся при помощи гирь и масштаба. При относительных измерениях данное напряжение сравнивается с известным напряжением трансформатора, показанием абсолютных измерительных приборов и разрядников. Томсон впервые осуществил точные абсолютные измерения высоких напряжений, используя экранированный дисковый конденсатор. Схема абсолютного вольтметра Томсона представлена на рис. 5-3. Охранное кольцо, электрически связанное с подвижной пластиной, обеспечивает однородность поля. Определив площадь S пластины конденсатора, расстояние I между пластинами и величину уравновешивающей силы F, можно найти напряжение U между пластинами конденсатора:
(5-5)
Подобные приборы, помещенные в сжатом газе, были выполнены в качестве эталонов напряжений до напряжения нескольких сотен киловольт.
На рис. 5-4 изображена схема абсолютного вольтметра высокого напряжения, предложенная акад. Л. Л. Чернышевым. Измеряемое напряжение подводится к подвижному диску 1 и охранному кольцу 3 с одной стороны и к неподвижному диску 2 — с другой.
Диск 1 подвешен к коромыслу весов 4. Силы, действующие на диск 1, уравновешиваются силами электродинамического воздействия между подвижной 5 и неподвижной 6 катушками, обтекаемыми током. Сила взаимодействия F1 катушек равна:
(5-6)
где а—постоянная прибора, зависящая от размеров катушек, расстояния между ними и окружающих условий.
Рис. 5-3. Схема абсолютного вольтметра Томсона.
Измеряемое действующее напряжение пропорционально силе уравновешивающего тока в катушках. Положение равновесия фиксируется при помощи контактного приспособления, схема действия которого ясна из рис. 5-4. С помощью такого прибора достигается точность измерения, превосходящая 0,3% при U = 250 кВ.
В лабораторной и заводской практике для измерения высоких напряжений имеются вольтметры упрощенной конструкции, градуируемые от постороннего источника и дающие точность порядка 1—3%. Так, например, широко распространены выпускаемые нашей промышленностью электростатические вольтметры С-96 (для напряжений до 30 кВ) и С-100 (для напряжений до 75 кВ), имеющие погрешность измерения не более 1,5%.
На вольтметре Штарке и Шредера на 1 000 кВ с оптическим отсчетом перемещение одного из дисков вольтметра под действием электрического поля передается зеркальцу, отбрасывающему луч на шкалу.
Соренсеном и Хютером были сконструированы безыскровые шаровые вольтметры на 1 (МН) кВ, в которых одна из сфер смещается под действием силы электрического поля. Величина этой силы при приложении высоких напряжений измеряется сотнями граммов и определяется или с помощью рычажных весов (Соренсен) или пружины (Хютер). Чувствительность прибора определяется минимальным грузом, вызывающим смешение сферы от положения равновесия. Вольтметр Соренсена является точным абсолютным прибором с погрешностью измерений менее 0,5%.
Для увеличения силы, действующей на подвижную систему прибора, прибегают к их параллельному соединению, как это имеет место в конструкции многокамерно-мультицеллюлярного вольтметра для измерения высокого напряжения, представленного на рис. 5-5.
Этот прибор основан на принципе изменения величины эффективной поверхности. В нем ряд металлических камер расположен в виде батареи, между стенками которых свободно перемещаются металлические пластины по одной в каждой камере. Эти пластины жестко связаны между собой и все вместе подвешены на ленте. Если измеряемое напряжение U подвести к стержням и камерам, то произойдет поворот системы стержней на такой угол, при котором крутящий момент уравновешивается силами электростатического взаимодействия. Для исключения посторонних влияний прибор заключен в металлический заземленный кожух. Воздушный демпфер обеспечивает успокоение стрелки. Придавая металлическим пластинам особую форму, добиваются почти линейной градуировки шкалы вольтметра. Такой прибор дает правильные показания и при высоких частотах.
Рис. 5-5. Схема вольтметра.
1 — металлическая камера; 2 — пластина; 3 — кожух.
Электростатические измерительные приборы для измерения напряжений характеризуются незначительным собственным потреблением энергии. При измерении постоянного напряжения производится лишь однократный отбор энергии для зарядки емкости прибора. Измерение переменного напряжения сопровождается расходом энергии непрерывно вследствие протекания зарядных токов. На высоком напряжении этот расход энергии весьма мал по сравнению с потерями на корону и утечками на подводящих к прибору проводах. Это обстоятельство исключает применение электростатических приборов для измерения весьма высоких напряжений. Приходится искать новые способы измерения напряжений. Поэтому применяют косвенные методы измерения, каким является, например, определение напряженности поля.
