Приборы для непосредственного измерения напряжений в сотни киловольт являются громоздкими и дорогими. Поэтому в настоящее время при измерении высоких напряжений широко применяются делители напряжений.
Делители напряжения состоят из цепочки последовательно соединенных активных сопротивлений или емкостей, а иногда из их комбинаций и включаются между проводом, находящимся под высоким напряжением, и землей. Трансформатор напряжения является по существу индуктивным делителем напряжения.
Принципиальная схема делителя напряжения представлена на рис. 5-34. Делитель состоит из N секций; напряжение снимается с п секций и измеряется прибором. Часть делителя (п секций), параллельно которой включается измерительный прибор, называют низковольтным плечом, а остальную часть — высоковольтным плечом делителя.
Если обозначить через U1 высокое напряжение, прикладываемое к делителю, а через U2— напряжение, измеряемое прибором, то отношение
Практически выполненные делители напряжения неполностью удовлетворяют комплексу вышеуказанных требований.
Чтобы учесть дополнительные погрешности, которые вносит делитель при измерении высокого напряжения, надо знать зависимости коэффициента деления от амплитуды называется коэффициентом деления делителя. Если в делитель включены секции с одинаковыми сопротивлениями и напряжение равномерно распределяется -по секциям, то
(5-41)
Для обеспечения необходимой точности измерения сопротивление измерительного прибора должно быть во много раз больше сопротивления низковольтного плеча делителя. Измеренная прибором величина напряжения, умноженная на коэффициент деления, дает полное измеряемое напряжение
К делителям напряжения предъявляются следующие основные требования:
- Подключение делителя не должно влиять на амплитуду и форму измеряемого напряжения.
- Напряжение, снимаемое с низковольтного плеча, должно по форме повторять измеряемое напряжение, для чего коэффициент деления делителя не должен зависеть от частоты и амплитуды измеряемого напряжения в рабочем интервале изменения этих величин.
- Коэффициент деления не должен зависеть от атмосферных условий (давление, температура).
- Энергия, рассеиваемая в делителе, при принятой системе охлаждения не должна вызывать заметного изменения его коэффициента деления.
- В делителе должны отсутствовать корона и утечки по изоляции или их влияние на коэффициент деления должно быть незначительным.
Рис. 5-34. Принципиальная схема делителя напряжения.
На рис. 5-35 представлена упрощенная электрическая схема замещения делителя напряжения.
При измерении высоких постоянных напряжений применяют активные делители. Для активных делителей используют проволоку из сплавов высокого сопротивления (константан, манганин, нихром и др.), а также непроволочные сопротивления различных типов, широко применяемые в радиотехнике.
Большинство высоковольтных источников постоянного напряжения, применяемых в лабораториях, имеют ограниченную выходную мощность, и токи от этих источников редко превышают несколько миллиампер. Делитель постоянного напряжения должен иметь высокое сопротивление, чтобы потребляемая им энергия от источника напряжения была сравнительно небольшой. С другой стороны, величина активного сопротивления делителя не должна быть слишком большой, так как в этом случае увеличивается погрешность в коэффициенте деления за счет короны· и утечек по изоляции.
Рис. 5-35. Электрическая схема замещения делителя напряжения.
Исходя из этих требований, сопротивление делителя принимается таким, чтобы ток, протекающий через делитель, находился в пределах от десятков до 1—2 мА.
Погружение сопротивлений делителя в масло значительно повышает теплоемкость делителя, улучшает его общую изоляцию и увеличивает электрическую прочность в отношении короны.
С помощью двух блоков делителя постоянного напряжения с проволочными сопротивлениями, соединенных последовательно, измерялись постоянные напряжения до 300 кВ с точностью ±0,3%. Блок сопротивлений величиной 80 Мом собирался из отдельных секций и помещался в бакелитовый цилиндр диаметром 27 см и высотой 46 см, заполненный маслом. При напряжении 125 кВ блок рассеивал мощность 200 Вт, при этом температура масла поднималась до 40° С, что соответствовало температуре кожуха блока 25° С. Осуществлялась естественная циркуляция масла, причем устройство секций и их расположение содействовали благоприятным условиям циркуляции масла. Сопротивление утечки через масло и кожух составляло 3·1012 Ом, что оказывало незначительное влияние на точность измерений. Для уменьшения коронирования на фланцах каждого блока делителя монтировались металлические экраны с закругленными краями.
В качестве сопротивлений секций блока делителя использовалась нихромовая проволока диаметром 0,051 мм, которая вплотную, виток к витку, наматывалась на узкую полоску из прессшпана с поперечным сечением 1,78X0,25 мм2. Эта полоска затем наматывалась спиралью на вторую полоску из прессшпана с поперечным сечением 6,4X0,43 мм2 и расстоянием между соседними витками спирали, равным 0,51 мм. Пленка окиси на поверхности проволоки была достаточной, чтобы обеспечить изоляции: между витками спирали, даже когда они касались дру1 друга. Сопротивление 1 м такой спирали составляв 0,2 Мом. Наконец, спираль наматывалась на изолирующие каркасы в виде дисков, которые образовывали секции а последние — блок сопротивлений.
Температурный коэффициент сопротивления нихрома составлял 9,8х10-5 град-1 в пределах от 20 до 500° С и при необходимости вводилась поправка на температуру. Таких образом, для изготовления делителя высокого постоянной напряжения требуются сотни километров проволоки с боль шим удельным сопротивлением и малым температурных коэффициентом сопротивления.
Когда не требуется большой точности в измерении напряжения и не оправдываются затраты на изготовление делителей из проволочных сопротивлений, применяются непроволочные сопротивлeния.
Различают непроволочные сопротивления поверхностного и композиционного типов. В сопротивлениях поверхностного типа проводящий слой образован пленкой углерода или тонкой пленкой металлических сплавов, осажденных на поверхность керамического стержня или трубки. Сопротивления композиционного типа состоят из плохо проводящих искусственных материалов на основе смесей проводника со связующим его диэлектриком. Сопротивления композиционного типа выполняются как в виде массивного проводящего тела — объемная конструкция, так и в виде проводящих слоев на изолирующем основании—пленочная конструкция.
Сопротивления поверхностного типа отличаются от пленочных композиционных сопротивлений не только отсутствием связующего диэлектрика в проводящей пленке, но и значительно меньшей толщиной проводящей пленки.
Температурный коэффициент непроволочных сопротивлений по абсолютной величине обычно больше, чем у проволочных сопротивлений, и для большинства типов непроволочных сопротивлений является отрицательным.
Кроме того, непроволочные сопротивления изменяют свою величину в зависимости от приложенного напряжения даже в том случае, когда проходящий через них ток не вызывает их существенного нагрева, могущего изменить величину сопротивления в соответствии с температурным коэффициентом. Величина сопротивления, начиная с некоторого значения напряжения, уменьшается с повышением напряжения. Сопротивление в этой области будет нелинейным. Степень нелинейности характеризуется коэффициентом напряжения, выражающим относительное изменение величины сопротивления при изменении напряжения на нем:
(5-42)
где R2 и R1— величины сопротивлений при U2 и U1, причем U2>U1.
Практически kн определяется при напряжении U2, равном наибольшему рабочему напряжению, и U1= 0,1U2.
Величина коэффициента напряжения для хороших сопротивлений поверхностного типа не превышает 1—2%, для композиционных сопротивлений kH может достигать 10—20%.
Следует также учитывать, что в непроволочных сопротивлениях с течением времени происходят необратимые изменения—процесс старения сопротивления. При этом в большинстве случаев сопротивление увеличивает свою величину. Старение сопротивлений имеет сложный характер, зависящий как от типа сопротивления, так и от условий, в которых оно находится. Особенно интенсивно процесс старения сопротивлений протекает при их -перегрузке, а также при работе во влажной среде.
В практике для делителей напряжения часто используются обычные радиотехнические непроволочные сопротивления различных типов. Отметим, что отечественной промышленностью выпускаются и специальные высоковольтные непроволочные сопротивления композиционного типа, предназначенные для делителей напряжения, для разряда конденсаторов фильтров выпрямителей и других целей.
В табл. 5-11 приводятся основные параметры сопротивлений композиционного типа, выпускаемых отечественной промышленностью.
Таблица 5-11
Основные параметры сопротивлений типа КЛВ
Эти сопротивления изготовляются на основе проводящих лакопленочных композиций, нанесенных спиралью на фарфоровый стержень. Края спирали покрываются низкоомным контактным клеем, на них насаживаются металлические колпачки. Сопротивления защищены эмалевым покрытием. Сопротивления типа КЛВ изготовляются I с допусками до 15% к номиналу. Коэффициент напряжения не превышает 15%, температурный коэффициент сопротивления в среднем не превышает —25· 10-4 град-1,
вольтметр или микроамперметр. Для удобства приборы непосредственно отградуированы в киловольтах измеряемого напряжения. При измерении напряжения с помощью микроамперметра было установлено, что необходимо ограничивать ток, «протекающий через микроамперметр, до 0,1 тока, протекающего через делитель, чтобы сохранить точность измерения в пределах ±1,5%.
На рис. 5-36 показано устройство делителя постоянного напряжения на 500 кВ, обеспечивающего точность измерения около ± 1,5%. Делитель состоит из цепочки последовательно соединенных углеродистых сопротивлений, каждое величиной 5 Мом и мощностью 1 вт. Температурный коэффициент сопротивления — 60х10-4 град-1 в интервале температур 10—30° С, коэффициент напряжения — около 11%. Сопротивления 1 смонтированы на изолирующей опоре 2 в зигзагообразном виде и помещались в маслонаполненный бакелитовый цилиндр 3 с двойными стенками. Естественная циркуляция масла осуществлялась так, что нагретое сопротивлениями масло проходило близ внутренней стенки наружного цилиндра и тем самым лучше охлаждалось. Для уменьшения коронирования на кожух цилиндра установлены алюминиевые экраны. Делители такой конструкции на напряжения 100 и 500 кВ имеют наружные кожухи одинакового диаметра, равного 17 см и высоты 56 см и 124 см соответственно.
Рис. 5-36. Делитель постоянного напряжения на 500 кВ, собранный из непроволочных сопротивлений.
1 — непроволочные сопротивления; 2 —изолирующая опора; 3 — наружный и внутренний кожух и делителя; 4- металлические экраны; 5 — вывод для подключения измерительного прибора. Стрелки указывают направление потоков масла.
При измерении напряжения параллельно низковольтному плечу делителя подключался электростатический ток.
При необходимости учитывался и температурный коэффициент этого сопротивления.
Иногда микроамперметр включается последовательно с делителем напряжения между концом низкого напряжения делителя и землей. В этом случае делитель напряжения выполняет роль дополнительного сопротивления.
Активные делители постоянного напряжения изготовляются на напряжения порядка 1000—2 000 кВ. Делитель постоянного напряжения на 1250 кВ состоял из 2 000 непроволочных сопротивлений по 0,75 Мом каждое с общим сопротивлением величиной 1 500 Мом. Сопротивления погружались в масло. Напряжение на низковольтном плече измерялось с помощью электростатического вольтметра.
Упомянем коротко о делителе постоянного напряжения на 50 кВ, предназначенном для прецизионных измерений постоянных напряжений с точностью ±0,01%. Такая большая точность была достигнута за счет того, что имелась возможность определять коэффициент деления делителя при включенном высоком напряжении. Проволочные сопротивления из манганина 200 ком, мощностью 30 Вт собирались в блоки, а последние соединялись в мостовую схему.
Чтобы избежать влияния токов утечки, использовалась система экранов, которым сообщались потенциалы от вспомогательного делителя напряжения, включенного параллельно основному делителю.
При измерении высоких напряжений промышленной частоты применяют емкостные и реже активные делители. Применение активных делителей переменного напряжения сопряжено с установкой громоздких и дорогостоящих сопротивлений на высокие напряжения. Емкостные делители по сравнению с активными имеют меньшие размеры и стоимость их ниже.
При измерении переменных напряжений с помощью активных делителей возникают ошибки, связанные с наличием емкостных токов, протекающих через емкости элементов делителя на землю Сз и емкости относительно провода Сп. Основные ошибки вносятся емкостями Сз. Если принять, что емкость Сз равномерно распределена вдоль высоковольтного плеча делителя с активным со
противлением R1, то при приложении к активному делителю синусоидального напряжения с угловой частотой ω=2πf полное сопротивление Z1 высоковольтного плеча делителя определяется выражением
(5 43)
Таким образом, емкость Сз вызывает угловую погрешность первого порядка, равную:
и погрешность второго порядка в величине полного сопротивления, равную:
Из (5-43) видно, что погрешность при измерениях с помощью активного делителя напряжения возрастает с увеличением сопротивления высоковольтного плеча R1, емкости элементов делителя по отношению к земле С3 и с увеличением частоты f измеряемого напряжения.
С ростом измеряемого переменного напряжения приходится увеличивать величину сопротивления R1, чтобы ток, протекающий через активный делитель, был в допустимых пределах. При этом увеличивается и емкость элементов делителя по отношению к земле.
Для уменьшения ошибок, связанных с наличием емкостных токов, применяют плоские дисковые экраны, присоединенные к высоковольтному концу делителей. Экран образует с поверхностью земли плоский конденсатор, поле которого достаточно равномерно, если диаметр экрана превышает высоту делителя.
Действие экрана равносильно компенсации емкостей делителя на землю. Такие экраны просты по устройству, но не всегда достаточно эффективны там, где требуется большая точность измерений. В этих случаях иногда сопротивления делителя делят на несколько секций, помещая каждую из них в отдельный металлический экран с потенциалом, равным среднему потенциалу каждой секции. Напряжение на экраны обычно подается от вспомогательного делителя напряжения, подсоединенного параллельно с главным. Таким образом, можно добиться хорошей компенсации влияния емкостей делителя на землю и значительно уменьшить его коронирование. В построенном делителе переменного напряжения промышленной частоты на 100 кВ. с использованием таких экранов угловая погрешность составляла не более 0,0002 рад. Эти делители имеют большие габариты и стоимость.
В случаях, где не требуется большой точности в измерениях, в качестве делителей переменного напряжения иногда применяют непроволочные сопротивления.
Начиная с напряжения 100 кВ и выше, погрешности активных делителей переменного напряжения достигают значительной величины и быстро увеличиваются с ростом напряжений, поэтому рациональным пределом для таких делителей является напряжение 100 кВ при частоте f=50 Гц.
Для измерения высоких переменных напряжений большое распространение получили емкостные делители, состоящие из ряда последовательно включенных емкостей. В емкостном делителе напряжения емкость Сз не имеет существенного значения, так как добавление ее к собственной емкости делителя не изменит зависимости от частоты, если пренебречь собственной индуктивностью делителя. Емкостные делители имеют и то преимущество, что они практически не потребляют активной энергии и могут быть использованы при высоких напряжениях промышленной частоты порядка нескольких миллионов вольт, а также при высоких частотах. Они используются и при измерениях импульсных напряжений. В качестве емкостей делителя широкое применение получили конденсаторы с керамическими диэлектриками, имеющими большую диэлектрическую проницаемость и высокую электрическую прочность. Такой делитель использовался для измерения напряжения трансформаторного каскада на 2 250 кВ. Делитель состоит из последовательно-параллельно соединенных конденсаторов в виде колонок. Центральная измерительная колонка окружена коленками конденсаторов, служащих экранами. Вместо керамических часто применяют конденсаторы с бумажно-масляной изоляцией.
Рис. 5-37. Конденсатор под давлением на 900 кВ.
В измерениях в качестве делителей переменного напряжения используются также конденсаторы с газообразным диэлектриком и концентрическими цилиндрическими электродами, изготовленными так, чтобы избежать коронирования. В таких конденсаторах в атмосфере сухого воздуха при нормальной плотности может быть допущена напряженность поля между электродами около 10 кВ/см без перекрытия. Конденсаторы этого типа используются при напряжениях до 300 кВ.
Емкость таких конденсаторов может быть рассчитана с точностью до 0,01%, их угловая погрешность составляет менее 10-5 рад.
Так как электрическая прочность газа увеличивается с его плотностью, размер конденсатора при данном напряжении может быть значительно уменьшен помещением электродов в бак под давлением. Это также защищает электроды от атмосферных загрязнений. На рис. 5-37 показано устройство конденсатора под давлением на 900 кВ с электродами в виде коаксиальных цилиндров. В качестве диэлектрика использовался азот или углекислый газ под давлением 14 ат. Бакелитовый кожух конденсатора одновременно служит и в качестве высоковольтного изолятора. Для низковольтного плеча делителя могут быть применены слюдяные конденсаторы хорошего качества.
Конденсаторы под давлением стоят дороже цепочки керамических или бумажных конденсаторов на одно и то же напряжение. Но последние имеют большую индуктивность и потери энергии. Поэтому конденсаторы под давлением обычно применяют при необходимости измерения напряжений с большой точностью.
1 — электрод низкого напряжения; 2—электрод высокого напряжения; 3— бакелитовый цилиндр; 4 — вывод для измерительной цепи; 5 — заземленное основание.
Рис. 5-38. Схема измерительного устройства с емкостным делителем напряжения.
При измерении переменных напряжений промышленной частоты в высоковольтных электрических сетях обычно используют измерительные трансформаторы напряжения. Однако при напряжениях 110 кВ и выше размеры трансформаторов напряжения становятся большими, и стоимость их сильно возрастает. Поэтому в практике измерений иногда используют и другие способы измерения напряжений. Значительное распространение в подобных случаях получили делители напряжения.
Удобным способом измерения переменных напряжений является использование в качестве емкостного делителя напряжения конденсаторных вводов выключателей и силовых трансформаторов. Л. М. Залесский и Н. А. Погарский указывают на возможность применения трансформаторов тока с конденсаторной изоляцией в качестве комбинированных трансформаторов тока и напряжения. Очевидно, что использование емкости конденсаторной изоляции трансформаторов тока для измерения напряжения 110 кВ и выше может дать значительную экономию средств. В практически выполненных устройствах для измерения напряжения с использованием вводов конденсаторного типа обычно имеется ряд вспомогательных элементов для обеспечения удобства и повышения точности измерений.
Изоляция вводов конденсаторного типа разделена на ряд слоев с помощью концентрических цилиндров из металлической фольги. Таким образом, образуется ряд заключенных друг в друга цилиндрических конденсаторов, соединенных последовательно. Измерительный прибор (электростатический или катодный вольтметр) включается параллельно последнему конденсатору и измеряется падение напряжения на нем, обычно равное 4—6 кВ.
В последнее время в связи с развитием в энергосистемах высокочастотной связи в качестве емкостных делителей напряжения используют также конденсаторы высокочастотной связи. С помощью упомянутых выше емкостных делителей напряжения можно измерять высокие напряжения порядка нескольких сотен киловольт.
Принципиальная схема такого устройства с емкостным делителем напряжения показана на рис. 5-38. Напряжение на емкости С2 составляет часть измеряемого напряжения и может быть дальше понижено до удобной для измерения величины с помощью трансформатора напряжения Тр. Для обеспечения наибольшей точности измерения в измерительную цепь включается регулируемая индуктивность L. Величина индуктивности L устанавливается такой, чтобы образовать резонансный контур с питающей емкостью С2.
Рис. 5-39. Эквивалентная Т-образная схема измерительного устройства, представленного на рис. 5-38.
При коротком замыкании в цепи измерительного трансформатора напряжение на реакторе L и емкости С2 может достигнуть недопустимой величины. Для предупреждения подобных перенапряжений служит разрядник Р.
Принимая трансформатор напряжения Тр за нагрузку, делитель напряжения вместе с реактором L можно представить в виде эквивалентной Т-образной схемы, которая показана на рис. 5-39.
Для повышения точности измерения надо уменьшить активное сопротивление r реактора. Это достигается путем применения реактора со стальным сердечником и небольшим воздушным зазором.
Измерительные устройства, использующие вводы конденсаторного типа, по сравнению с трансформаторами напряжения. обладают меньшей точностью измерения и имеют малую мощность. Однако в ряде случаев эти устройства в связи с их низкой стоимостью с успехом заменяют трансформаторы напряжения.
Погрешность емкостного делителя напряжения зависит от температуры, влажности изоляции, отбираемой измерительным устройством мощности и других причин. Мощность емкостного делителя зависит емкости применяемых вводов конденсаторного типа и увеличивается с ростом измеряемого напряжения. Существующие делители этого типа при напряжении 110 кВ имеют мощность 15 ва, при напряжении 220 кВ — 35 ва. Поэтому такие приспособления целесообразно применять при измерении напряжений 110 кВ и выше. Применение емкостных делителей в виде независимых аппаратов, не связанных с вводами конденсаторного типа, позволяет значительно увеличить их мощность.
