12. ИЗМЕРЕНИЕ ДЕЙСТВУЮЩИХ ЗНАЧЕНИЙ ВЫСОКИХ ПЕРЕМЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
а) Емкостные добавочные сопротивления и делители напряжения
Как было показано в § 11, измерение высоких переменных напряжений при помощи активного добавочного сопротивления сопряжено с известными трудностями из- за распределенных емкостей по отношению к земле. Более рационально при измерении переменных напряжений вместо активных добавочных сопротивлений применять емкостные (рис. 76). Высокое напряжение, подлежащее измерению, создает в измерительном конденсаторе ток
Действующее значение этого тока может быть измерено амперметром электромагнитной системы.
Рис. 75. Электростатический вольтметр по Хветеру со световым указателем.
Рис. 76. Емкостное добавочное сопротивление для измерения высоких переменных напряжений.
Если измеряемое высокое напряжение содержит высшие гармонические составляющие, то при измерениях возникают погрешности. Действительно, действующее значение высокого напряжения равно корню квадратному из суммы квадратов действующих значений основной и высших гармонических составляющих
Основная гармоническая составляющая U1 создает ток I1=w1СU1 третья гармоническая составляющая U3— ток I3=3w1CU3, так как ω3=3ω1 и т. д. Тогда общий ток
Как видно из этой формулы, наличие высших гармоник нарушает прямую пропорциональность между действующими значениями U и I. Например если измеряемое напряжение содержит 10% пятой высшей гармонической составляющей, то измеренное значение тока повышается на 12%. Поэтому емкостному сопротивлению следует предпочесть емкостный делитель напряжения (рис. 77). Высокое напряжение вычисляется по измеренному значению U2 и известным значениям емкостей 
где C1 — емкость электростатического вольтметра и подводящего коаксиального кабеля.
Емкость электростатического вольтметра зависит от отклонения его подвижного электрода; однако из-за ее малой величины этой зависимостью можно пренебречь. В качестве конденсатора С на рис. 76 и C1 на рис. 77 целесообразно применять конденсатор под давлением инертного газа, емкость которого (порядка 100 пФ) благодаря коаксиальной экранированной конструкции не зависит от места установки и нечувствительна к посторонним электрическим полям.
Рис. 77. Измерение высоких переменных напряжений при помощи емкостного делителя напряжения и электростатического вольтметра.
Конденсаторы под давлением инертного газа чаще всего имеют двойной экран и подводящий кабель с двойным экранированием на стороне низкого напряжения. Поэтому при точных измерениях мостом Шеринга экран может быть подключен к потенциалу вершины моста для исключения паразитных емкостей. При измерениях только напряжения оба экрана электрически соединяются между собой.
б) Емкостные измерительные трансформаторы напряжения
В противоположность рассмотренным ранее емкостным делителям напряжения, низковольтная часть которых нагружена только электростатическим вольтметром или электроннолучевым осциллографом, емкостный трансформатор напряжения питает очень низкоомного потребителя. Емкостные трансформаторы напряжения используются в высоковольтных электропередачах для подключения релейных устройств и измерительных приборов, общая мощность которых достигает сотен ватт. Соответственно емкость C1 у емкостных трансформаторов напряжения (рис. 78) имеет порядок тысяч пикофарад. Чтобы согласовать низковольтную часть делителя с низкоомным потребителем, между емкостью низкого напряжения С2 и нагрузкой включают промежуточный трансформатор Тр, коэффициент трансформации которого выбирают исходя из того, что напряжение на конденсаторе С2 равно 10—30 кВ, а на нагрузке Ζ 60—100 В.
Рис. 78. Емкостный трансформатор напряжения.
Рис. 79. Схема замещения емкостного трансформатора напряжения.
Роль дросселя Др поясняется схемой замещения емкостного трансформатора напряжения [Л. 138], приведенной на рис. 79. В индуктивное сопротивление X1 входят индуктивности дросселя и промежуточного трансформатора; в активное сопротивление Ri входят сопротивления потерь индуктивностей и конденсаторов.
Рис. 80. Векторная диаграмма емкостного трансформатора напряжения.
a - общем случае индуктивной нагрузки; б—при настройке в резонанс c помощью дросселя.
Полное сопротивление Z≈Rn+jXn представляет собой нагрузку. Этой схеме замещения соответствует векторная диаграмма, приведенная на рис. 80. Ток, отбираемый от сети делится на токи Ic2 и Iв
При индуктивной нагрузке у емкостного делителя напряжения Iс2>Iс1 и вследствие этого значение напряжения Uc2 оказывается больше, чем вычисленное по передаточному отношению емкостного делителя при холостом ходе. Значение UC2 тем больше, чем больше вторичная мощность.
Отсюда видно, что короткое замыкание на вторичной стороне приводит к большим перенапряжениям на емкости С2. Поэтому низковольтную часть защищают искровым промежутком (рис. 81). Индуктивность дросселя Др выбрана по условию
где f0 — частота сети, для которой предназначен емкостный трансформатор напряжения.
Рис. 81. Схематическое изображение емкостного трансформатора напряжения для установки на открытом воздухе.
С1— высоковольтная емкость; С2— низковольтная емкость; Сn—общая емкость, равная номинальной емкости для высокочастотной связи; Тр — промежуточный трансформатор; F — самогасящийся защитный искровой промежуток; и Z2— полные сопротивления феррорезонансного защитного устройства; X—U — подключения с первичной стороны; х—и — основные вторичные обмотки; п, е — вспомогательные вторичные обмотки для обнаружения замыканий на землю; ЯГ—подключение высокой частоты для высокочастотной связи по линиям электропередачи.
Это условие соответствует настройке в резонанс вторичного контура, образованного индуктивностью LДр+LТр и параллельно включенными емкостями С1 и С2.
В этом случае внутреннее сопротивление емкостного трансформатора напряжения станет чисто активным и равным Ri, а подлежащее измерению напряжение U1 и напряжение U2 на нагрузке совпадают по фазе (векторная диаграмма на рис. 80,б). Поэтому коэффициент трансформации по напряжению можно написать в виде
Строго говоря, в числителе вместо значения UC1 нужно подставить его проекцию па направление U1, однако такая небольшая неточность вполне допустима. Легко видеть, что значение k мало зависит от нагрузки трансформатора (URi<<Uc1).
Достоинство емкостного трансформатора напряжения состоит в том, что общие затраты на его изоляцию невелики. Емкостный делитель трансформатора имеет линейное распределение напряжения независимо от частоты. Лишь у промежуточного трансформатора возможно нелинейное распределение напряжения вдоль первичной обмотки при импульсах, что требует усиления изоляции. Другим достоинством емкостного трансформатора напряжения является еще и то, что помимо применения в качестве измерительного он может быть использован как конденсатор высокочастотной связи по линиям электропередачи. Недостатком емкостного трансформатора напряжения является зависимость емкостей, а значит и коэффициента трансформации при холостом ходе от температуры (у промежуточного трансформатора коэффициент трансформации при холостом ходе имеет постоянное значение и определяется, как известно, числами витков первичной и вторичной обмоток). Наряду с этим следует отметить, что в переходных процессах при эксплуатации емкостного трансформатора могут возникать явления феррорезонанса и релаксационных колебаний, которые создают известные трудности.
Подробные сведения, касающиеся применения емкостных трансформаторов напряжения, в частности вопросы погрешностей измерения в зависимости от напряжения, частоты и величины нагрузки приведены в [Л. 137, 144, 145]. Обзор разработок, проведенных за последние 5 лет в области индуктивных и емкостных измерительных трансформаторов напряжения, можно найти в [Л. 391].
