4 Измерения при высоком напряжении

 

4.1 Шаровые разрядники

 

Длина воздушного промежутка между электродами какой-либо формы может служить мерой напряжения, которое вызвало пробой промежутка. Поскольку пробой воздушного промежутка определяется амплитудным значением приложенного напряжения, то искровые промежутки относятся к группе амплитудных приборов.

Существуют таблицы МЭК и ГОСТ 1516.1, составленные на основании сравнения результатов исследований в различных странах. При пользовании таблицами нужно учитывать ряд особенностей. На практике возможны две схемы включения шарового разрядника: а) симметричная; б) несимметричная (рисунок 39).

Рисунок 39 - Схемы включения шаровых разрядников

 

При симметричном включении пробивные напряжения одинаковы для всех его видов и обеих полярностей; при несимметричном включении сказывается эффект полярности, но учёт его производится только для импульсных напряжений, так как при постоянных напряжениях разброс пробивных напряжений из-за большой погрешности измерений превышает разницу, вызванную эффектом полярности. В связи с этим, данные о пробивных напряжениях шаровых разрядников сгруппированы в три таблицы: для симметричного включения шаров; для переменного и постоянного напряжений и отрицательных импульсов; для положительных импульсов при несимметричном включении.

Пробивные напряжения проводятся для нормированных диаметров шаров от 2 до 200 см. Каждому диаметру соответствует определенный диапазон расстояний, в котором обеспечивается минимальная погрешность измерений. Наибольшее расстояние между шарами не должно превышать 0,75 Д. При S>0,75 Д сильно возрастает погрешность. Производить измерения при S<0,1 Д также не рекомендуется вследствие затруднений при отсчёте S.

Все данные для t=20 С, Р=760 мм рт. ст. Для иных температур и давлений воздуха необходимо вводить поправку на плотность воздуха

,

.

Для однородного поля k=1, неоднородного поля k=0,8-1,2.

Так как поле шаров при измерениях остаётся слабо неоднородным, то влияние влажности воздуха незначительно (<1%) и его не учитывают.

Для уменьшения погрешности при измерениях необходимо, чтобы поверхность шаров была гладкой, полированной, без следов грязи и пыли. Отклонения по диаметру допускаются не более 1%.

Близость земли (пол лаборатории), а также различных заземленных или находящихся под напряжением предметов и проводников искажают картину поля между шарами и вызывают дополнительную погрешность, поэтому нормами предусматриваются определенные расстояния от измерительных шаров до земли и посторонних предметов. При измерении напряжений 50 Гц и постоянного тока последовательно с шарами разрядника включают защитный резистор R для ограничения перенапряжений и тока КЗ испытательной установки при разряде, а также защиты поверхности шаров от повреждения дугой (R 1Ом/В).

Величина пробивного напряжения подчинена статистическим закономерностям, поэтому при нескольких измерениях одного и того же напряжения имеет место разброс результатов.

Недостатком шаровых разрядников при измерении напряжений 50 Гц и постоянного тока является невозможность вести наблюдение за изменением напряжения во время опыта и необходимость отключать установку после каждого пробоя. Поэтому шаровые разрядники применяются для построения градуировочных кривых высоковольтных установок и измерения напряжения при испытаниях под дождём.

При измерении импульсных напряжений за пробивное напряжение разрядника принимают такое, при котором половина всех импульсов, приложенных к электродам разрядника, вызывает его пробой. Это напряжение называется 50% пробивным напряжением.

Методика измерений состоит в следующем. Расстояние между шарами уменьшают ступенями не более 2% от ожидаемой величины измеряемого напряжения и на каждой ступени дают по шесть импульсов.

Если не будет достигнуто точно 50% пробоев, то за величину напряжения, соответствующего 50%, принимают среднее арифметическое из двух значений, при одном из которых происходит 2 или менее, а при другом - четыре или более пробоя из шести импульсов.

Выбор необходимого диаметра шаров для измерения напряжений производят из того, что при S<0,5 Д разрядная напряженность составляет около 20 кВ/см.

При соблюдении всех требований погрешность составляет 3% при S<0,5 Д.

Для расстояний S от 0,5 до 0,75 Д погрешность возрастает, поэтому разрядные напряжения взяты в скобках.

При измерениях постоянных напряжений погрешность увеличивается и оценивается 5% S<0,4 Д.

 

4.2 Электростатические вольтметры

 

Электростатическими называют приборы, в которых электроды перемещаются под действием сил поля. Из теоретической электротехники известно, что механическая сила взаимодействия двух электродов, находящихся под разностью потенциалов U, в общем виде определяется соотношением

,

где - сила, действующая в направлении х;

С – емкость электродов.

Из этого выражения следует, что с помощью электростатических вольтметров можно измерять действующие значения постоянного и переменного напряжений.

Если действующее на неподвижный электрод поле однородно, перемещение электрода незначительно или исключено возвращением его в первоначальное положение, емкость С может быть достаточно точно рассчитана, а сила измерена, то напряжение U можно рассчитать в соответствии с вышеописанным выражением. Вольтметры, удовлетворяющие этим условиям, называют абсолютными.

Абсолютные вольтметры служат для измерения напряжений до 300-400 кВ, для уменьшения габаритов их обычно располагают в баке с повышенным давлением газа. Погрешность вольтметров при измерении составляет 0,01-0,4%, поэтому они применяются в качестве эталонных приборов при градуировке технических вольтметров высокого напряжения.

 

Рисунок 40 - Схемы технических электростатических вольтметров

 

Технические электростатические вольтметры высокого напряжения (ЭСВВ) применяются в тех случаях, когда при измерении допускается погрешность порядка 2-3%. На рисунке 40 показана схема устройства ЭСВВ с вращательным движением электрода, которая применяются во многих конструкциях. Измеряемое напряжение прикладывается к электродам 1 и 2, закрепленным на изоляторах. На выступающую часть подвижной системы (флажок 3), находящуюся перед вырезом в электроде, при этом действует сила , поворачивающая действующую систему на некоторый угол . Противодействующий момент создаётся или пружинкой, или закручиванием упругой растяжки (оси 4), на которой подвешена подвижная система. Показания прибора отсчитывается при помощи светового устройства, состоящего из шкалы 5 и зеркальца 6, а также осветителя 7. Демпферы 8 служат для успокоения колебаний подвижной системы.

Приборы по указанной схеме в принципе могут быть изготовлены на любые напряжения, необходимо только соответствующим образом измерить расстояние между электродами, их размеры и изоляцию.

Отечественной промышленностью изготавливаются электростатические вольтметры для измерения напряжения до 30, 100, 200 кВ, класс точности таких приборов 1,5 и 2,5.

 

4.3 Роторные вольтметры

 

Работают на принципе использования явления электростатической индукции и представляет собой своего рода электростатические генераторы с цилиндрическим или дискообразным ротором (рисунок 41).

В силу симметрии при вращении ротора увеличение емкостей С^//₁ С^/₂ сопровождается соответственным уменьшением емкостей С^/₁ и С^//₂ .

dС₁" = -dС₁' и С₁'+ С₁"= С₂' + С₂ " = С.

При этом на коллекторе через измерительный прибор будет протекать пульсирующий ток, среднее значение которого

.

 

Рисунок 41 - Роторный вольтметр

1, 2 – электроды;

3 – измерительный прибор;

A , A - металлические полуцилиндры;

С^/₁, С^//₁ - частичные емкости;

С^/₂, С^//₂ - частичные емкости;

К – коллектор.

Из этого следует, что мерой напряжения U=U -U при постоянном числе оборотов ротора «n» является среднее значение тока.

Роторные вольтметры можно применять и для измерений переменного напряжения, только в этом случае целое число периодов переменного тока, т.е. число оборотов ротора в минуту, может быть 1500, 750, 500 и т.д.

Достоинства: измерение постоянного и переменного напряжения, измерение напряжений до 2 мВ, равномерность шкалы.

 

4.4 Электронные осциллографы

 

Служат для изучения стационарных и переходных процессов в цепях высокого напряжения. Широко используется при изучении перенапряжений, индукционных явлений и при импульсных испытаниях. Для осциллографирования однократных, кратковременных процессов импульсных напряжений используются ЭО с горячим катодом.

Электронные осциллографы с анодным напряжением до 5 кВ и выше получили название высоковольтных. Напряжение на отклоняющих пластинах 1-2 кВ. Напряжение на модуляторе 50 В.

 

4.5 Делители напряжения

 

Делители напряжения бывают омические, емкостные и смешанные.

Омический делитель напряжения (рисунок 42) представляет собой два резистора R и R , соединенные последовательно. Напряжение для измерений снимается с низковольтного плеча делителя R . Коэффициент деления

.

Рисунок 42 - Омический делитель напряжения

 

Требования, предъявляемые к делителю напряжения, заключаются в следующем: он должен иметь устойчивый коэффициент деления K=U /U , не зависящий от режима его работы, температуры, времени, частоты и величины измеряемого напряжения; не должен искажать формы измеряемого напряжения, для этого его индуктивность и паразитная емкость должны быть минимальными; делитель не должен влиять на режим работы исследуемой цепи, т.е. должен обладать высоким входным сопротивлением; на делители недопустимы коронные разряды, и он должен быть защищён от влияния посторонних полей.

Выполнение этих требований затрудняется по мере повышения измеряемых напряжений, когда размеры делителей напряжений возрастают.

Для получения безиндукционных делителей напряжения с малой паразитной емкостью С^/ резисторы R₁ и R₂ выполняются жидкостными, керамическими или проволочными с безиндукционной, например бифилярной намоткой. Применение манганина или константана диаметром 0,015-0,03 мм позволяет получить резисторы небольших размеров с сопротивлением в сотни килоом.

Погрешность при применении омических делителей напряжения определяется в основном наличием паразитных емкостей С^/ элементов делителя на землю и окружающие предметы.

В начальный момент появления прямоугольной волны (t=0) распределение напряжения по делителю будет резко неравномерным вследствие значительных емкостей токов I^/_C, напряжение на пластинах явления при этом равномерно U_2Н. Через некоторое время (условно при t= ) распределение напряжения станет равномерным и конечное напряжение поля на ПЯ будет U_2К> U_2Н.

Таким образом, коэффициент деления К омического делителя, равный в установившемся режиме примерно R /R , в переходном режиме, особенно при регистрации волн с крутым фронтом, не является величиной постоянной и зависит от времени.

Коэффициент деления емкостного делителя напряжений (рисунок 43)

.

Рисунок 43 - Схема емкостного делителя напряжения

 

Смешанный (емкостно-омический) делитель сочетает свойства обоих типов делителей напряжения, его коэффициент деления практически не зависит от частоты. Смешанные делители широко применяют при работе со сверхвысокими напряжениями.

 

5 Грозовые перенапряжения и защита электрооборудования электроустановок

 

5.1 Молния как источник грозовых перенапряжений

 

Молния представляет собой электрический разряд между облаком и землёй или между облаками. Молнии предшествует процесс накопления и разделения электрических разрядов в грозовых облаках, происходящий в результате возникновения в облаках мощных восходящих воздушных потоков и интенсивной конденсации в них водяных паров.

Капли воды, достигшие области отрицательных температур, замерзают. Замерзание начинается с поверхности капли, которая покрывается корочкой льда. Выделяющееся при этом тепло поддерживает температуру внутри капли около 0 С. Имеющееся в воде положительные ионы под действием разности температур перемещаются к поверхностному слою капли и заряжают его положительно, в то время как жидкой сердцевине капли сообщается при этом избыточный отрицательный заряд. Когда замерзает сердцевина капли, то вследствие ее расширения ранее замёрзший поверхностный слой лопается, и его положительно заряженные осколки потоком воздуха уносятся в верхние части облака. Таким образом, нижняя часть грозового облака оказывается заряженной отрицательно, а вершина положительно. Это один из основных процессов электризации грозовых облаков, и поэтому в большинстве случаев (до 90%) молнии бывают отрицательными, т.е. переносят на землю отрицательный заряд.

В средних широтах землю поражает 30-40% общего числа молний, остальные 60-70% составляют разряды между облаками или между разноименными частями облаков.

По мере концентрации в нижней части облака отрицательных зарядов увеличивается напряженность электрического поля, и когда она достигает критического значения (20-24 кВ/см в зависимости от высоты облака над землёй), происходит ионизация воздуха и в сторону земли начинает развиваться разряд.

На начальной стадии, называемой лидерной, молния представляет собой относительно медленно (со скоростью в среднем 1,5 м/с) развивающийся слабосветящийся канал (лидер). Зона ионизации лидера имеет избыточный заряд того же знака, что и облако. Заряды облака и лидера индуктируют на поверхности земли и на расположенных на ней объектах заряды другого знака. По мере продвижения лидера к земле индуктированный заряд и напряженность электрического поля на возвышающихся над поверхностью земли объектах возрастают и с них могут начать развиваться встречные лидеры, имеющие заряды, по знаку обратные заряду лидера. Ток в лидерной стадии имеет порядок десятков и сотен ампер.

Когда канал развивающегося от облака лидера приближается к земле или к одному из встречных лидеров, то между ними на расстоянии 25-100 м возникает высокая напряженность электрического поля, среднее значение которого оценивается в 10 кВ/см. Промежуток пробивается в несколько микросекунд, и в нем выделяется энергия порядка 0,5-5 МДж, которая расходуется на нагрев и термоионизацию. Проводимость в этой части канала резко возрастает, и зона повышенной напряженности перемещается по направлению к облаку со скоростью 1,5 до 1,5 м/с (0,05-0,5 скорости света). Процесс этот, называемый главным разрядом, сопровождается сильным свечением канала разряда. Ток в канале за 5-10 мкс достигает десятков и даже 1-2 сотен килоампер, а затем за время 25-200 мкс спадает до половины амплитудного значения. В течение очень короткого времени канал разряда разогревается до температуры 20-30 тыс. С.

При нагревании канал разряда быстро расширяется, что вызывает распространение в воздухе ударной волны, имеющей на своём фронте высокое давление, воспринимаемое как гром. Во время главного разряда происходит нейтрализация зарядов лидера. Нарастание тока главного разряда (фронт импульса тока) соответствует нейтрализации зарядов в зоне ионизации лидера.

В завершающей (финальной) стадии молнии по каналу в течение десятков миллисекунд проходит ток порядка десятков, сотен ампер. В это время нейтрализуются заряды облака. Часто на ток финальной стадии накладываются импульсы тока повторных разрядов, во время которых разряжаются на землю скопления зарядов, расположенные в разных местах по высоте грозового облака. Лидер повторных разрядов – так называемый стреловидный лидер – движется со скоростью, превышающей скорость лидера первого разряда и имеющий порядок м/с, поскольку он развивается уже по образованному каналу. Скорости нарастания тока главного разряда в повторных разрядах выше, чем в первом, а амплитуды ниже. Яркие вспышки канала при повторных разрядах воспринимаются как мерцание молнии.

В большинстве случаев молния состоит из 2-3 отдельных разрядов, однако наблюдались и с несколькими десятков компонентов. Такая многокомпонентная молния может длиться до 1 с. Чаще всего длительность удара молнии не превышает 0,1 с.

Если высота объекта составляет сотни метров, то напряженность электрического поля на вершине может достигнуть критического значения раньше, чем напряженность поля в облаке. В таких случаях развитие молнии начинается не с облака, а с вершины объекта. Большинство разрядов, поражающих Останкинскую телебашню, начинается с развития лидера с ее вершины (540 м над поверхностью земли). Такие молнии не имеют резко выраженной главной стадии, поскольку их лидеры проходят в соприкосновение с малопроводящим облаком, заряды в котором расположены на частичках льда или воды и отделены друг от друга воздухом. Лидеры повторных разрядов в этих случаях всегда развиваются от облака к земле, и повторные компоненты не отличаются от нисходящих от облака молний

 

5.2 Электрические характеристики молний

 

Переход от лидерной стадии к главному разряду можно имитировать замыканием на землю вертикально заряженного провода (рисунок 44). Будем считать, что во время лидерной стадии сформировался проводящий канал (вертикальный провод) с постоянной плотностью отрицательного заряда на единицу длины . При замыкании ключа К происходит нейтрализация отрицательного заряда за счёт положительных зарядов, поступающих в канал молнии с поверхности земли.

Если волна нейтрализации распространяется вверх со скоростью , то амплитуда тока

.

Если провод замыкается на землю через некоторое сопротивление R, то ток уменьшается и определяется как

,

где Z – эквивалентное волновое сопротивление канала молнии.

 

Рисунок 44 - Упрощенная схема развития главного разряда

Из рисунка 45 видно, что ток молнии может зависеть от значения сопротивления в месте удара, например, сопротивление заземления возвышающегося объекта.

Оценки волнового сопротивления канала молнии, сделанные по измерениям тока на Останкинской телебашне, дают значения 1,1-8 кОм. Теоретические исследования показывают, что при предельно больших амплитудах тока молнии Z уменьшаются до 300-600 Ом. При таких значениях Z влияние сопротивления заземления, по крайней мере до R=50 Ом, невелико, и с достаточной степенью точности для расчётов молниезащиты можно принимать эквивалентное волновое сопротивление канала молнии бесконечно большим, т.е. рассматривать молнию как источник тока.

 

Рисунок 45 - Определение параметров импульса тока молнии

 

С точки зрения электромагнитного воздействия на установки высокого напряжения важное значение имеет форма и значение тока главного разряда. Приближенно он имеет вид апериодического импульса, который можно характеризовать длительностью фронта и длительностью импульса (рисунок 45). Важнейшей характеристикой является максимальное значение тока молнии I , часто называемое просто током молнии.