ćwiczenie 1 metody pomiarów wysokich napięć przemiennych

ĆWICZENIE 1
METODY POMIARÓW WYSOKICH NAPIĘĆ PRZEMIENNYCH,
STAŁYCH I UDAROWYCH
1.1. WPROWADZENIE
1.1.1. Metoda iskiernikowa
Iskiernik jest najprostszym przyrządem pomiarowym służącym do bezpośredniego pomiaru
wartości szczytowych napięć przemiennych, stałych i udarowych. Wykorzystuje się w tym celu
znaną dla iskiernika zależność napięcia przeskoku w powietrzu od odstępu elektrod. Zastosowany
iskiernik powinien charakteryzować się następującymi właściwościami: małymi rozrzutami napięć
przeskoku, zbliżoną do liniowej zależnością napięcia przeskoku od odstępu elektrod, brakiem
wpływu kształtu przyłożonego napięcia na wartość napięcia przeskoku (współczynnik udaru równy
jedności).
Postawione wymagania mogą być spełnione w polu jednostajnym lub zbliżonym do
jednostajnego. Pole jednostajne zapewniają iskierniki płaskie, ale ze względu na trudności
wykonawcze (równoległość elektrod, profilowanie krawędzi elektrod) i znaczne wymiary, nie
znalazły szerszego zastosowania w miernictwie.
Powszechne zastosowanie w laboratoriach do pomiaru wysokich napięć znalazły iskierniki
kulowe. Iskiernik taki ma dwie jednakowe metalowe kule (zwykle Cu), osadzone na walcowych
trzonach o średnicy nie przekraczającej 20% średnicy kul D i o długości równej nie mniej niż D. Do
pomiarów napięcia w układzie niesymetrycznym jedna kula jest uziemiona, a w układzie
symetrycznym obie kule są izolowane od ziemi.
Rozkład pola elektrycznego między kulami iskiernika zależy od stosunku odstępu kul a do ich
średnicy. Im mniejsza wartość stosunku a/D, tym pole jest bardziej jednostajne - mniejszy
współczynnik niejednostajności równy:
E
β = max
E śr
Na napięcie przeskoku iskiernika kulowego oprócz średnicy D i odstępu a między kulami wpływają
warunki atmosferyczne (ciśnienie, temperatura, wilgotność powietrza), otaczające przedmioty oraz
kurz osiadający na kulach.
Norma [5] podaje wartości szczytowe napięć przeskoku iskiernika kulowego o średnicy D i
odstępie kul a w warunkach atmosferycznych normalnych. W wiadomościach ogólnych skryptu
podano sposób uwzględniania wpływu warunków atmosferycznych na napięcie przeskoku. W polu
jednostajnym lub zbliżonym do jednostajnego wilgotność w granicach 4-15 g/m3 nie ma wpływu na
wytrzymałość elektryczną. Podany zakres wilgotności bezwzględnej jest najczęściej spełniony w
pomieszczeniach laboratoryjnych.
Wpływ sąsiadujących z iskiernikiem przedmiotów może być dość znaczny. W przypadku
bliskiego sąsiedztwa przedmiotów pod napięciem wzrasta napięcie przeskoku, natomiast
przedmioty uziemione, znajdujące się w pobliżu kul, obniżają napięcie przeskoku. Dlatego określa
się minimalne wartości uzależnione od D:
- wysokości punktów iskrowych nad ziemią,
- odległości punktu iskrowego kuli uziemionej od przedmiotów postronnych,
- odległości punktów iskrowych od nieprzewodzących części konstrukcji wsporczej.
Poprawność pomiarów iskiernikiem wymaga, aby powierzchnie kul były wolne od zanieczyszczeń.
Przed pomiarem należy powierzchnie kul oczyścić i wywołać kilka wstępnych przeskoków.
Średnice kul przewidziane przez normę są zawarte w przedziale 2-200 cm. Zakres pomiarów
obejmuje odstępy a od 0,05D do 0,75D. Dolne ograniczenie jest spowodowane tym, że przy
a < 0,05 D wynik pomiaru napięcia byłby nadmiernie uzależniony od dokładności określenia
odstępu kul i stanu ich powierzchni. Górny zakres odstępów wynika z konieczności ograniczenia
niejednostajności pola. Przy spełnieniu wymagań związanych z konstrukcją i ustawieniem
iskierników pomiary mogą odbywać się z dokładnością ± 3% dla odstępów elektrod a < 0,5D oraz
± 5% dla zakresu 0,5D < a < 0,75D.
W tablicy 1 podano wartości napięć przeskoku dla kul o średnicach 5; 12,5 i 25 cm stosowanych
w pomiarach w laboratorium wysokonapięciowym PG. W nawiasy ujęto wartości otrzymane dla
odstępów większych od promienia kul, a więc umożliwiające tylko 5% dokładność pomiaru.
Tablica 1.1
Wartości maksymalne napięć przeskoku dla iskierników z jedną kulą uziemioną: I dla napięć
zmiennych małej częstotliwości, napięć udarowych o biegunowości ujemnej, napięć stałych obu
biegunowości oraz II dla napięć udarowych o biegunowości dodatniej
Odstęp
Średnica kul D [cm]
kul
5
12,5
25
a
cm
0,20
0,30
0,40
0,50
0,80
1,0
1,2
1,5
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,5
4,0
4.5
5.0
5,5
6,0
6.5
7.0
7.5
8.0
g,0
10
11
12
13
14
15
I
8,0
11,2
14,3
17,4
26,3
32,0
37,6
45,5
53,0
57,5
61,5
65,5
(69,0)
(72,5)
(75,5)
(82,5)
(88,5)
II
11,2
14,3
17,2
26,3
32,0
37,8
46,2
54,5
59,5
64,0
69,0
(73,0)
(77,0)
(81,0)
(90,0)
(97,5)
I
II
16,8
26,0
31,7
37,4
45,5
53,5
59,5
64,5
70,0
75,0
80,0
85,0
97,U
108
119
129
138
146
(154)
(162
(168)
(174)
(185)
(195)
16,8
26,0
31,7
37,4
45,5
53,5
59,0
64,5
?0;0
75,5
80,5
85,5
98,0
110
122
134
145
155
(164)
(173)
(181)
(189)
(203)
(215)
I
II
31,7
37,4
45,5
53,5
59,5
64,5
70,0
75,5
81,0
86,0
99,0
112
125
137
149
161
173
184
195
206
226
244
261
275
(289)
(302)
(314)
31,7
37,4
45,5
53,5
59,0
64,5
70,0
75,5
81,0
86,0
99,0
212
125
138
151
163
175
187
199
211
233
254
273
292
(308)
(325)
(337)
2
W szereg z iskiernikiem pomiarowym należy włączyć rezystor, którego głównym zadaniem jest
zmniejszenie prądu iskry i wypalania elektrod. Ponadto obecność rezystora łagodzi oscylacje
występujące w obwodzie probierczym przy przeskoku w iskierniku. Dla napięcia o częstotliwości
przemysłowej i dla kul o średnicy nie większej od 25 cm rezystancja rezystora ochronnego nie
powinna przekraczać wartości 25/D Ω na 1 kV wartości szczytowej napięcia mierzonego, gdzie D
oznacza średnicę kul w cm.
Pomiary wartości szczytowej napięcia udarowego polegają na znalezieniu takiego odstępu
elektrod, który odpowiada 50-procentowemu napięciu przeskoku (U50) iskiernika. Prawidłowy
pomiar napięcia udarowego za pomocą iskiernika wymaga krótkiego, w porównaniu z czasem czoła
udaru, czasu statystycznego opóźnienia wyładowania. Szczególnie wyraźny wpływ opóźnienia
wyładowania na wyniki obserwuje się przy pomiarze napięć udarowych poniżej 50 kV.
Skutecznym zabiegiem prowadzącym do skrócenia czasu opóźnienia wyładowania jest naświetlenie
przerwy iskrowej przy użyciu preparatu promieniotwórczego (np. Co 60) wywołującego sztuczną
jonizację.
Metoda iskiernikowa pomiaru napięcia, oprócz takich zalet jak prostota i pewność działania
przyrządu, posiada szereg niedogodności, do których przede wszystkim zalicza się nieciągłość
pomiarów i nagły spadek napięcia na obiekcie badanym po wystąpieniu przeskoku.
1.1.2. Dzielniki napięcia
Jeżeli wartość napięcia jest zbyt wysoka, ażeby doprowadzić je bezpośrednio do przyrządu
pomiarowego, wtedy stosuje się dzielniki napięcia. Są to układy, w których na wyjściu otrzymuje
się zmniejszenie wartości napięcia przy możliwie najbardziej wiernym zachowaniu jego kształtu.
Stosuje się dzielniki rezystancyjne, pojemnościowe i rezystancyjno-pojemnościowe.
1.1.2.1. Dzielniki pojemnościowe napięcia przemiennego
Do pomiaru wysokich napięć przemiennych stosuje się najczęściej dzielniki pojemnościowe.
Dzielnik taki tworzą szeregowo połączone kondensatory: wysokonapięciowy o małej pojemności
C1 i niskonapięciowy o znacznie większej pojemności C2. Miernik o odpowiednio wysokiej
impedancji wewnętrznej (znacznie większej niż 1/ωC2) mierzy wartość napięcia na kondensatorze
C2. Przekładnia takiego dzielnika wynosi
C + C2
(1.1)
k= 1
C1
W dokładnych wykonaniach dzielników kondensator wysokonapięciowy C1 jest najczęściej
wzorcowym kondensatorem ciśnieniowym o konstrukcji przedstawionej na rys. l.1. Izolację w
takim kondensatorze stanowi gaz, np. dwutlenek węgla, pod wysokim ciśnieniem (do 1,5 MPa), co
pozwala wydatnie zmniejszyć gabaryty. W konstrukcji tej elektroda niskonapięciowa jest prawie
całkowicie ekranowana od wpływów pól zewnętrznych przez elektrodę wysokonapięciową.
Najczęściej elektrodę niskonapięciową dzieli się na dwie części, aby otrzymać dwie niezależne
wartości pojemności podłączone do wspólnego zacisku wysokonapięciowego. Stosowany gaz
neutralny zapewnia bardzo mały współczynnik strat dielektrycznych, więc kondensator taki może
również służyć jako wzorzec do pomiaru tg δ.
Pomiar napięcia przemiennego we współpracy z dzielnikami pojemnościowymi zwykle odbywa
się poprzez rejestrację wartości szczytowej napięcia. Układ taki może być realizowany przy
zastosowaniu prostownika włączonego równolegle lub szeregowo do części niskonapięciowej
dzielnika. Powszechnie stosowanym jest układ szeregowy prostownika z woltomierzem
elektrostatycznym. Przykładowy schemat takiego układu przedstawia rys. 1.2. Woltomierz
elektrostatyczny V mierzy napięcie stałe Um równe wartości maksymalnej U2max napięcia U2. Stała
czasowa RmCm jest znacznie dłuższa od okresu napięcia, ale jednocześnie musi zapewniać
nadążanie napięcia na woltomierzu Um za zmianami wartości napięcia U2max.
Stały pobór prądu przez opornik Rm grozi wystąpieniem składowej stałej na kondensatorze C2
prowadzącej do uchybu pomiarowego. Środkiem zaradczym jest dostatecznie mała oporność
3
R2<<Rm wywołująca znaczną składową zmienną na C2 pomniejszając tym samym udział składowej
stałej.
Układ podobny do omówionego został wykorzystany w mierniku wartości szczytowej napięcia
typu WMUT3 produkcji niemieckiej. Zestawy pomiarowe złożone z kondensatora ciśnieniowego i
miernika WMUT3 są na wyposażeniu laboratoriów wysokich napięć PG.
1
2
3
C1 C2
Rys. 1.1. Budowa wysokonapięciowego kondensatora ciśnieniowego, 1 – elektroda
wysokonapięciowa, 2 - dzielona elektroda niskonapięciowa, 3 – obudowa izolacyjna
C1
P
U1
U2
C2
R2
Cm
Rm
V
U2m
Rys. 1.2. Dzielnik pojemnościowy wraz z układem do pomiaru wartości szczytowej napięcia
przemiennego
1.1.2.2. Dzielniki rezystancyjne napięcia udarowego
Pomiar napięcia udarowego realizuje się najczęściej za pomocą dzielników rezystancyjnych.
Rezystory użyte w konstrukcji dzielników udarowych muszą być bezindukcyjne i
bezpojemnościowe (stałe L/R i CR pomijalne wobec czasu czoła udaru). Warunki te mogę być
trudne do spełnienia przy dzielnikach o znacznych rezystancjach. Skutecznym sposobem
unieszkodliwienia pojemności pasożytniczych jest przejście do dzielnika rezystanyjnopojemnościowego przez odpowiedni dobór poszczególnych pojemności i rezystancji.
Rys. 1.3 przedstawia schemat układu do pomiaru wartości maksymalnej udarów. Przekształcony
w dzielniku R1 R2 sygnał jest doprowadzony kablem o impedancji falowej Z do przyrządu
pomiarowego V. Dla uniknięcia fałszujących pomiary odbić na końcu kabla jest on zwarty
rezystorem R3 = Z. W ten sposób zapobiega się odbiciu fali na wejściu miernika. Rezystor R3
współpracuje równolegle z rezystancją R2 dzielnika, więc wypadkowa przekładnia dzielnika wynosi
k=
U1
=
U2
R2 ⋅ R3
R2 + R3
R2 ⋅ R3
R2 + R3
R1 +
(1.2)
4
Napięcie U2 mierzy miernik V w układzie dwukondensatorowym (wg Rabusa). Kondensator C1
ładuje się do wartości szczytowej napięcia U2m. Znaczna stała czasowa R4 C2 uniemożliwia
jednoczesne naładowanie kondensatora C2, przy czym C2 >> C1. Dopiero później następuje
wyrównanie napięć na obu kondensatorach do wartości U, którą mierzy woltomierz
elektrostatyczny V. Napięcie U można obliczyć ze wzoru
U = U2 ⋅
C1 + C 2
C1 + C 2 + C p
(1.3)
w którym Cp oznacza pojemność prostownika.
R1
R4
P
U1
U2
R2
R3
C1
C2
V
U2m
Rys. 1.3. Dzielnik rezystancyjny wraz z układem do pomiaru wartości szczytowej udaru
Opisana powyżej zasada pomiaru napięć udarowych znalazła zastosowanie w woltomierzu typu
SMUT-1L produkcji niemieckiej. Woltomierze takie wraz z fabrycznie dobranymi dzielnikami
rezystancyjnymi znajdują się w laboratorium wysokonapięciowym PG.
1.1.2.3. Dzielniki do pomiaru napięcia stałego
Dzielnikami do pomiaru napięć stałych są wyłącznie dzielniki rezystancyjne. Dzielniki takie
muszą mieć znaczną rezystancję, ponieważ ze względu na niewielką moc źródeł napięcia stałego
należy ograniczyć pobór prądu przez układ pomiarowy. Prąd dzielnika obciążający źródło napięcia
jest najczęściej rzędu kilkudziesięciu - kilkuset mikroamperów.
Rys. 1.4 przedstawia podstawowe możliwości pomiaru napięcia stałego przy użyciu elementów
o wysokiej rezystancji. Pomiar napięcia może odbywać się poprzez określenie napięcia na danym
stopniu za pomocą woltomierza elektrostatycznego - (rys. 1.4 a) lub przez pomiar prądu płynącego
w obwodzie pomiarowym ( rys. 1.4 b, c).
a)
c)
b)
i
R1
i
R1
U1
U1
U2
R2
V
U2m
R
R3
U1
U2
R2
i1
A
A
i2
Rys. 1.4. Układy do pomiaru napięć stałych przy zastosowaniu elementów o wysokiej rezystancji
1.1.3. Metoda prostownikowa z kondensatorem szeregowym
Schemat ideowy metody pokazano na rys. 1.5. Dla zapewnienia określonej dokładnie
pojemności C oraz uniknięcia wpływu przedmiotów postronnych i upływności wewnętrznej
kondensatora, stosuje się najczęściej kondensatory o izolacji gazowej z dzieloną elektrodą
niskonapięciową zapewniającą ekranowanie - patrz rys. 1.1. Prostowniki muszę charakteryzować
się pomijalnym wobec mierzonego prądem wstecznym. Mikroamperomierz mierzy wartość średnią
prądu wyprostowanego I. Jeżeli napięcie przemienne U ma w ciągu okresu tylko dwa ekstrema
5
równe sobie co do wartości bezwzględnej (Umax+=Umax-), to prąd średni I jest proporcjonalny
do Umax:
Ī = 2fCUmax
(1.4)
Przy znacznym odkształceniu krzywej napięcia (większa liczba ekstremów) nie można posługiwać
się wzorem (1.4).
U
C
A
Rys. 1.5. Pomiar wysokiego napięcia przemiennego metodą prostownikową z kondensatorem
szeregowym
1.1.4. Pomiar bezpośredni woltomierzem elektrostatycznym
Wśród różnych typów woltomierzy elektrostatycznych powszechne zastosowanie znalazły
woltomierze, w których pod wpływem siły przyciągania pola elektrycznego porusza się jedna
elektroda. Siła przyciągania jest wprost proporcjonalna do kwadratu wartości skutecznej napięcia i
odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między elektrodami. Woltomierze tego typu są
budowane do napięć przemiennych i stałych.
1.1.5. Przekładniki napięciowe
Pomiar napięcia odbywa się za pomocą woltomierza włączanego po stronie wtórnej
przekładnika. Przekładniki napięciowe laboratoryjne zachowują swoją klasę dokładności dla napięć
w zakresie 0,2 - 2,0 Un, a przekładniki energetyczne - w zakresie 0,8 – 1,2 Un. Błąd pomiaru
napięcia zależy od klas woltomierza i przekładnika.
1.2. PRZEBIEG ĆWICZENIA
1.2.1. Pomiary napięcia przemiennego
1.2.1.1. Wykres U2 = f(U1) dla transformatora probierczego
Schemat układu przedstawia rys. 1.6. Dla wskazanego transformatora probierczego dobrać
iskiernik kulowy, który umożliwi pomiar napięcia wtórnego U2 z dokładnością ±3% w całym
zakresie pracy transformatora. Uwzględnić warunki atmosferyczne. Napięcie pierwotne U1
zmierzyć za pomocą woltomierza i wykonać wykres U2 = f(U1).
TP
U1
V
R
U2
Rys. 1.6. Schemat układu do pomiaru przekładni transformatora probierczego za pomocą iskiernika
kulowego
1.2.1.2. Napięcie przeskoku na izolatorze
6
Pomierzyć napięcie przeskoku na izolatorze posługując się następującymi przyrządami:
− iskiernikiem kulowym (wykorzystać wykres U2 = f(U1)),
− dzielnikiem pojemnościowym z układem pomiarowym wg rys. 1.2,
− woltomierzem elektrostatycznym,
− metodą prostownikową z kondensatorem szeregowym,
− przekładnikiem napięciowym.
Uzyskane wyniki (po 5 pomiarów) zestawić w tablicy 1.2 i obliczyć wartości średnie Up,
odchylenia standardowe s oraz uchyb względny ∆Up w stosunku do metody uznanej za najbardziej
dokładną.
Tab1ica 1.2
Lp.
Up
kV
Metoda
Up
kV
s
kV
∆Up
%
1.2.2. Pomiar napięcia stałego
1.2.2.1. Wykres U2 = f(U1) dla układu przedstawionego na rys. l.7
Wysokie napięcie stałe U2 zmierzyć za pomocą odpowiednio dobranego iskiernika kulowego.
Pomiary przeprowadzić dla obu znaków napięcia.
TP
U1
P
R0
R
C
V
U2
Rys. 1.7. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania zależności między wysokim napięciem
stałym a napięciem pierwotnym transformatora probierczego
1.2.2.2. Napięcie przeskoku na izolatorze
Pomierzyć napięcie stałe obu biegunowości powodujące przeskok na izolatorze wykorzystując
następujące przyrządy:
− iskiernik kulowy (wykorzystać wykresy U2 = f(U1)),
− dzielnik rezystancyjny z woltomierzem wg rys.1.4 a,
− mikroamperomierz z posobnikiem wg rys. 1.4 b,
− woltomierz elektrostatyczny.
Uzyskane wyniki (po 5 pomiarów) zestawić w tablicy 1.3, obliczyć wartości średnie, odchylenia
standardowe oraz uchyby względne w stosunku do metody uznanej za najbardziej dokładną.
Tab1ica 1.3
Lp.
Znak Metoda
napięcia
Up
kV
Up
kV
s
KV
∆Up
%
1.2.3. Pomiar napięcia udarowego
1.2.3.1. Sprawność napięciowa generatora udarów
Schemat układu przedstawia rys. 1.8, na którym 5-stopniowy generator udarów GU jest
7
zbudowany zgodnie z rys. 3.6 w ćwiczeniu 3. Sprawność napięciową η generatora obliczyć jako
stosunek napięcia udarowego do całkowitego napięcia ładowania generatora, czyli η = Uu/5U0.
Badania przeprowadzić dla obu znaków napięcia i dla dwóch wartości napięć ładowania U0:
dla 25% wartości znamionowej,
dla 75% wartości znamionowej.
TP
U1
P
R0
R
Rp
U0
Uu
GU
A
Rys. 1.8. Schemat układu do pomiaru sprawności napięciowej generatora udarów
1.2.3.2. Pomiar napięcia udarowego
Pomierzyć napięcie udarowe wykorzystując następujące metody:
- dzielnik rezystancyjny z układem pomiarowym wg rys. 1.3,
- pomiar napięcia ładowania Uo i obliczoną wcześniej sprawność napięciową η generatora.
Badania przeprowadzić dla udarów o wartościach zbliżonych do 25% lub 75% wartości
znamionowej generatora. Uzyskane wyniki (po 5 pomiarów) zestawić w tablicy 1.4, obliczyć
wartości średnie oraz obliczyć różnicę procentową obu wyników.
Tab1ica 1.4
Lp.
Znak Metoda
napięcia
Uu
kV
Uu
kV
s
kV
∆Uu
%
1.3. OCENA WYNIKÓW I WNIOSKI
Porównać wyniki uzyskane za pomocą poszczególnych metod pomiarowych i ocenić ich
dokładność. Scharakteryzować przydatność zastosowanych metod pomiarowych do praktyki
laboratoryjnej.
1.4. PYTANTA KONTROLNE
1. Podać metody pomiaru wysokich napięć przemiennych, stałych i udarowych.
2. Przedstawić zasadę pomiaru wysokiego napięcia za pomocą iskiernika kulowego. Podać
budowę i wymagania dotyczące iskiernika kulowego.
3. Wpływ warunków atmosferycznych na wyniki pomiaru napięcia iskiernikiem kulowym.
4. Omówić układ do pomiaru napięcia przemiennego z wykorzystaniem dzielnika
pojemnościowego.
5. Omówić metodę pomiaru napięcia udarowego z wykorzystaniem dzielnika rezystancyjnego.
6. Sposób pomiaru napięcia przemiennego metodą prostownikową z kondensatorem szeregowym.
7. Sposób pomiaru wysokiego napięcia za pomocą woltomierza elektrostatycznego.
8. Określić przydatność przekładników napięciowych do pomiaru napięć przemiennych w
laboratoriach i energetyce zawodowej.
LITERATURA
1. Flisowski Z.: Technika wysokich napięć. Warszawa: WNT 1988
2. Wodziński J.: Wysokonapięciowa technika prób i pomiarów. Warszawa: PWN 1997
8
3.
4.
5.
6.
Kosztaluk Z. i in.: Technika badań wysokonapięciowych. Warszawa: WNT 1985
Szpor S.: Technika wysokich napięć. Warszawa: WNT 1978
PN-87/E-04053*. Pomiary wysokonapięciowe. Układy pomiarowe i wskazówki ich stosowania
PN-92/E-04060*. Wysokonapięciowa technika probiercza. Ogólne określenia i wymagania
probiercze
__________________________________________
* Dane aktualne w chwili druku. Sprawdzić aktualność norm przed stosowaniem.
9