Пристрій для вимірювання високих напруг

Пристрій для вимірювання високих напруг, який містить масштабний подільник напруги, високовольтне плече якого виконане з високоомного резистора і підключене до шини високої напруги, низьковольтне плече виконане з низькоомного резистора і заземлене та низьковольтний вольтметр, який відрізняється тим, що в нього введені польовий транзистор, витік якого з'єднаний з потенціальним вводом низькоомного резистора низьковольтного плеча масштабного подіпьнта напруги, два додаткових послідовно з'єднаних низькоомних резистори, які включені між високовольтним плечем масштабного подільника напруги і стоком польового транзистора, автоматичний ключ, підключений паралельно двом додатковим низькоомним резисторам, до середньої точки з'єднання яких підключений паралельно низьковольтний вольтметр, коло з послідовно з'єднаних амплітудного детектора, фільтра нижніх частот, підсилювача частоти комутації ключа, фазочутливого випрямляча та (нтегратора, вихід якого з'єднаний з затвором польового транзистора, підключене паралельно до середньої точки з'єднання додаткових низькоомних резисторів, і релаксаційний генератор, вихід якого з'єднаний з керуючим входом автоматичного ключа І керуючим входом фазочутливого випрямляча. Винахід належить до електровимірювальної техніки І може бути використаний для вимірювання високих напруг в колах змінного струму промислової частоти (50-60 Гід) і копах постійного струму. Сучасна практика і наукові дослідження потребують вимірювань високих та надвисоких напруг до 10-100 MB Так, введені в дію лінії електропередач з напругою 1.2-1-5 MB. проектуються лінії передачі та енергетичне устаткування на більш високі напруги. У високовольтних випробувальних установках напруги досягають декількох мегавольт, а в термоядерних установках використовуються напруги біля десятків MB. Економічні міркування і вимоги олтим/зацІЇ режимів роботи енергосистем та енергетичних об'єктів висувають задачу підвищення точності І вимірювання високих напруг, яка зараз характеризується похибками 1,5-2,5% І більше Для підвищення якості електроенергії необхідно знизити похибки робочих засобів вимірювань до 0 , 1 0,5%, а зразкових до 0,02-0,05%. виконання цих вимог зв'язано з технічними труднощами створення зразкових високовольтних засобів та необхідністю високоякісної ізоляції засобів вимі рювань від високих напруг (див. Сви П.М, Контроль изоляции оборудования высокого напряжения. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергия. 1998. с. 78-80) Відомий пристрій для вимірювання високих напруг (див. Грибанов Ю И Измерения в высокоомных цепях - М - Л. Энергия, 1967, с 2629). який містить в собі кіловольтметр з електростатичним механізмом і послідовно з'єднаний з ним додатковий конденсатор для змінного струму і додатковий резистор для постійного струму. Паралельно вимірювальному механізму і частині додаткового резистора включається розрядник, який захищає пристрій від перенапруг Через неминучі зм(ни вхідноГ ємності електростатичного механізму виникає перерозподіл падінь напруг на вимірювальному механізмі кїловольтметра І на додатковому резисторі або додатковій ємності, що порушує пропорційну залежність між вхідною і вихідною напругами, тобто змінює коефіцієнт ділення масштабного подільника напруги. Не лінійність перетворення не дозволяє знизити похибку вимірювання менше 1%. На високих та надвисоких напругах важко виконати додатковий резистор з стабільними параметрами і якісною СО СО з шини високої напруги 1 подається на масштабний подільник напруги, складений високоомним резистором 2 з високовольтною ізопядіею і низькоомними резисторами 3 і 4, каналом польового транзистора 5 і низькоомним резистором 6. Вихідна низьковольтна напруга подільника, яка знімається з середньої точки з'єднання резисторів З і 4, иг = — і . sin( tot + (1) де Кі - коефіцієнт ділення подільника напруги. Релаксаційний генератор 7 виробляє прямокутні імпульси, які керують роботою авто 34637 матичного ключа 8 Частота проходження керуючих імпульсів її вибирається в 5-10 раз меншою частоти ад вимірюваної напруги (5-10 Гц). В результаті періодичних замикань ключа 8 коефіцієнт ділення подільника напруги змінюється від значення (ключ 8 розімкнений) процес змінювання опору закінчиться, коли зникне напруга обвідної (Um3=0) Тоді з виразу (7) витікас, що виконується умова RiR 3 -R 2 R* = 0. (8) Розв'язуючи рівняння (8) відносно опору R4, одержуємо = R/ до значення (ключ 8 замкнений) (3) де Ri - опір високоомного резистора 2; ' Rz і Ra - опори низькоомних резисторів 3 і 4 відповідно; R4 - сумарний опір польового транзистора 5 І низькоомного резистора 6. Через поріодичні зміни коефіцієнта ділення подільника напруги на амплітудний детектор 10 впливають пакети змінних напруг тривалістю ДІ = =я/£1 з амплітудами: Um 2 = Um,/Kr, . (4) u"m2 = Um,/Ki". (5) В результаті детектування пакетів змінних напруг не рівних амплітуд на виході фіпьтра 11 нижніх частот виділяється напруга прямокутної обвідної пакетів частоти комутації 12. Амплітуда змінної напруги частоти комутації U m '-U"m' , (6) де S - чутливість детектора 10; Кг - коефіцієнт передачі фільтра 11. Напруга частоти комутації підсилюється підсилювачем 12 частоти комутації, яка далі випрямляється фазочутливим випрямлячем 13. Як опорна напруга фазочутливого випрямляча використовується керуюча напруга ключа 8 від генератора 7. Випрямлена напруга заряджає інтегратор 14, вихідна напруга якого впливає на затвор польового транзистора 5. Спочатку інтегратор 14 не заряджений і йото вихідна напруга близька до нуля. При нульовій напрузі затвора відносно витоку транзистор відкритий і опір RV каналу стік-витік мінімальний. Опір R4H низькоомного резистора 6 вибирається набагато більшим опору відкритого транзистора ( По мірі зарядження інтегратора зростає напруга на затворі транзистора 5. Якщо напруга на затворі досягне напруги відсічки (U,^»c) тока стоку, то транзистор закривається, і його опір стає максимальним. Напрямок регулювання опору каналу польового транзистора вибирається таким, щоб різницева напруга (6) зменшувалась. Ця напруга з урахуванням виразів (4) і (5), а також (2) і (3) приймає вигляд 1 2 І 2 SKj R +R R , + R,+R,+R4 R,+R« Urn,. (7) При наявності Інтегратора 14 в колі автоматичного регулювання опору каналу транзистора Ri. R, (9) Підставивши значення опору R4 у вираз (2), одержимо Rs 4-1, (Ю) а у вираз (3), одержимо «з З виразів (10) і (11) видно, що при виконанні умови (8) коефіцієнт ділення перестає залежати від стану ключа 8 і приймає постійне значення Kt = К,* = К," = (12) "з При цьому зникає амплітудна модуляція в детектованій напрузі, вихідна напруга фазочутливого випрямляча 13 обертається в нуль, а вихідна напруга інтегратора 14 підтримує значення опору R/ на рівні, необхідному для виконання умови (9) Вольтметр 9 дозволяє виміряти усталене значення вихідної напруги масштабного подільника напруги. З урахуванням значення коефіцієнта умови (12) маємо І Urn,. (13) З виразів (13), (2) і (3) видно, що автоматично установлюваний коефіцієнт ділення Кі не залежить від опору Ri високоомного резистора 2 і опору R4 низьковольтного плеча подільника, а визначається тільки значениями опорів низькоомних резисторів З і 4 (Rz і Яз)- Тому напруга, вимірювана низьковольтним вольтметром 9, пропорциональна високій напрузі на шині 1 І не залежить від нестабільності високовольтного плеча масштабного подільника напруги і опору низьковольтного плеча R4. Шкала вольтметра 9 градуюється безпосередньо в значеннях високої напруги. Так як нестабільність високоомного резистора 2 не впливає на точність результату вимірювання, то можна значно знизити вимоги до якості та надійності високовольтної ізоляції резистора. Зокрема, як високоомний резистор з опором 10 9 -10 1 9 Ом можна використати стандартні високовольтні ізолятори з струмом витікання 10-100 мкА при напругах у сотні кіловольт. Опори низькоомних резисторів Rj І Ra повинні бути стабільними І мати малу температурну залежність. Оскільки ці резистори функціонують при низьких напругах, то цим вимогам задовольняють вимірювальні резистори, виконані з манганинового дроту. , Опір R4" низькоомного резистора б вибирають а початкових умов (RV - 0) І мінімаль 34637 ному значенні опору високовольтного резистора Ri. 3 співвідношення (9) витікає R/ = '-± R1ml0. (14) Мінімальне значення опору Ri можна оцінити з прогнозованої нестабільності опору Ізоляції високовольтного плеча подільника (15) 100 де Y - відносна нестабільність в процентах через вплив дестабілізуючих факторів. Опори низькоомних резисторів R2 і Ra вибирають з потрібного коефіцієнта подільника у відповідності з співвідношенням (13) К - U m ' Tr Urn, (16) R3 Враховуючи, що К і » 1 опором резистора Ra в чисельнику виразу (16) можна знехтувати. Тоді К, = Um, (17) R3 Якщо задатися низькоомним резистором з конструктивних міркувань, то (18) R2 = Ki R3. Приклад вибору параметрів масштабного подільника аисокої напруги. Для напруги Ui=100 кВ вибираємо високовольтний ізолятор з струмом стікання Ь=100/мкА, що відповідає його початковому опору )L I, = 100-10* = 10* Ом. 100 1 0 ' Нестабільність високоомного резистора Ri=1 ГОм через пщвищеннй температури, виникнення коронного розряду, мікропробоїв І таке Інше прогнозується на рівні 30%. Тоді мінімальний опір резистора 2 у відповідності з (15) = (1-0,3) 10е = 7 10е Ом. Приймаємо опір низькоомного резистора 4 Из « 100 Ом. Вихідну напругу подільника вибираємо з міркувань безпеки Потрібне значення коефіцієнта ділення відповідно (17) •іг Кі = 100 10' ~~їосГ 1П з =1Оф Тоді резистор 3 у відповідності э співвідношенням (16) повинен мати значення . R 2 = 1 0 3 100»100кОм. Заземлений опір 6 визначаємо за формулою (14) R4" = W""3 7 10 е = 7-Ю5 = 700 кОм. Так як опір R*" не впливає на коефіцієнт ділення (16), то низькоомний резистор 6 може бути недротяним без жорстких вимог до його стабільності. Реальний опір високоомного резистора 2 може знаходитись в межах Ri(1±y/100), тобто змінюватися від 0,7 109 до 1,3 10 9 ,Ом. Таким чином динамічний діапазон опору R*" повинен складати від сотень Ом до сотень кОм. Цим умовам відповідають керовані резистори на основі польових транзисторів. Канал ПОЛЬОВОГО транзистора стік-витік має чисто омічний характер, так як на шляху струму між стоком і витоком відсутні р-п переходи. Опір R, канапу визначається виразом г и. и и. (19) -1 де S - крутість вольтамперної характеристики каналу; иВідС - напруга відсічки струму витоку; U», Uce - напруги на затворі і стоці відносно витоку; Іс « а - струм стоку при Uje=O, UBUC=U