ĆWICZENIE 1 METODY POMIAÓW WYSOKICH NAPIĘĆ PZEMIENNYCH, STAŁYCH I UDAOWYCH 1.1. WPOWADZENIE 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 0% 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. ozkład 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: β = E 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/m 3 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 -00 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; 1,5 i 5 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 kul a Średnica kul D [cm] 5 1,5 5 cm I II I II I II 0,0 8,0 0,30 11, 11, 0,40 14,3 14,3 0,50 17,4 17, 16,8 16,8 0,80 6,3 6,3 6,0 6,0 1,0 3,0 3,0 31,7 31,7 31,7 31,7 1, 37,6 37,8 37,4 37,4 37,4 37,4 1,5 45,5 46, 45,5 45,5 45,5 45,5 1,8 53,0 54,5 53,5 53,5 53,5 53,5,0 57,5 59,5 59,5 59,0 59,5 59,0, 61,5 64,0 64,5 64,5 64,5 64,5,4 65,5 69,0 70,0?0;0 70,0 70,0,6 (69,0) (73,0) 75,0 75,5 75,5 75,5,8 (7,5) (77,0) 80,0 80,5 81,0 81,0 3,0 (75,5) (81,0) 85,0 85,5 86,0 86,0 3,5 (8,5) (90,0) 97,U 98,0 99,0 99,0 4,0 (88,5) (97,5) 108 110 11 1 4.5 119 1 15 15 5.0 19 134 137 138 5,5 138 145 149 151 6,0 146 155 161 163 6.5 (154) (164) 173 175 7.0 (16 (173) 184 187 7.5 (168) (181) 195 199 8.0 (174) (189) 06 11 g,0 (185) (03) 6 33 10 (195) (15) 44 54 11 61 73 1 75 9 13 (89) (308) 14 (30) (35) 15 (314) (337)
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 5 cm rezystancja rezystora ochronnego nie powinna przekraczać wartości 5/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 (U 50 ) 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.. 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..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 C 1 i niskonapięciowy o znacznie większej pojemności C. Miernik o odpowiednio wysokiej impedancji wewnętrznej (znacznie większej niż 1/ωC ) mierzy wartość napięcia na kondensatorze C. Przekładnia takiego dzielnika wynosi C1 + C k = (1.1) C W dokładnych wykonaniach dzielników kondensator wysokonapięciowy C 1 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.. Woltomierz elektrostatyczny V mierzy napięcie stałe U m równe wartości maksymalnej U max napięcia U. Stała czasowa m C m jest znacznie dłuższa od okresu napięcia, ale jednocześnie musi zapewniać nadążanie napięcia na woltomierzu U m za zmianami wartości napięcia U max. Stały pobór prądu przez opornik m grozi wystąpieniem składowej stałej na kondensatorze C prowadzącej do uchybu pomiarowego. Środkiem zaradczym jest dostatecznie mała oporność 1 3
<< m wywołująca znaczną składową zmienną na C 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 3 C 1 C ys. 1.1. Budowa wysokonapięciowego kondensatora ciśnieniowego, 1 elektroda wysokonapięciowa, - dzielona elektroda niskonapięciowa, 3 obudowa izolacyjna C 1 P C U V U m C m m ys. 1.. Dzielnik pojemnościowy wraz z układem do pomiaru wartości szczytowej napięcia przemiennego 1.1... Dzielniki rezystancyjne napięcia udarowego Pomiar napięcia udarowego realizuje się najczęściej za pomocą dzielników rezystancyjnych. ezystory użyte w konstrukcji dzielników udarowych muszą być bezindukcyjne i bezpojemnościowe (stałe L/ i C 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. ys. 1.3 przedstawia schemat układu do pomiaru wartości maksymalnej udarów. Przekształcony w dzielniku 1 sygnał jest doprowadzony kablem o impedancji falowej Z do przyrządu pomiarowego V. Dla uniknięcia fałszujących pomiary odbić na końcu kabla jest on zwarty rezystorem 3 = Z. W ten sposób zapobiega się odbiciu fali na wejściu miernika. ezystor 3 współpracuje równolegle z rezystancją dzielnika, więc wypadkowa przekładnia dzielnika wynosi k + 3 1 U1 + 3 = = (1.) U 3 + 3 4
Napięcie U mierzy miernik V w układzie dwukondensatorowym (wg abusa). Kondensator C 1 ładuje się do wartości szczytowej napięcia U m. Znaczna stała czasowa 4 C uniemożliwia jednoczesne naładowanie kondensatora C, przy czym C >> C 1. Dopiero później następuje wyrównanie napięć na obu kondensatorach do wartości U, którą mierzy woltomierz elektrostatyczny V. Napięcie U można obliczyć ze wzoru U C1 + C = U (1.3) C + C + 1 C p w którym C p oznacza pojemność prostownika. 1 P 4 U 3 C 1 C V U m ys. 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..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. ys. 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) b) c) i i 1 1 3 U V U m U A A i 1 i ys. 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 ( U max+ = U max - ), to prąd średni I jest proporcjonalny do U max : Ī = fcu max (1.4) Przy znacznym odkształceniu krzywej napięcia (większa liczba ekstremów) nie można posługiwać się wzorem (1.4). U C A ys. 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, -,0 U n, a przekładniki energetyczne - w zakresie 0,8 1, U n. Błąd pomiaru napięcia zależy od klas woltomierza i przekładnika. 1..1. Pomiary napięcia przemiennego 1.. PZEBIEG ĆWICZENIA 1..1.1. Wykres U = f( ) dla transformatora probierczego Schemat układu przedstawia rys. 1.6. Dla wskazanego transformatora probierczego dobrać iskiernik kulowy, który umożliwi pomiar napięcia wtórnego U z dokładnością ±3% w całym zakresie pracy transformatora. Uwzględnić warunki atmosferyczne. Napięcie pierwotne zmierzyć za pomocą woltomierza i wykonać wykres U = f( ). TP V U ys. 1.6. Schemat układu do pomiaru przekładni transformatora probierczego za pomocą iskiernika kulowego 1..1.. Napięcie przeskoku na izolatorze 6
Pomierzyć napięcie przeskoku na izolatorze posługując się następującymi przyrządami: iskiernikiem kulowym (wykorzystać wykres U = f( )), dzielnikiem pojemnościowym z układem pomiarowym wg rys. 1., woltomierzem elektrostatycznym, metodą prostownikową z kondensatorem szeregowym, przekładnikiem napięciowym. Uzyskane wyniki (po 5 pomiarów) zestawić w tablicy 1. i obliczyć wartości średnie U p, odchylenia standardowe s oraz uchyb względny U p w stosunku do metody uznanej za najbardziej dokładną. Tab1ica 1. Lp. Metoda U p U p s U p kv kv kv % 1... Pomiar napięcia stałego 1...1. Wykres U = f( ) dla układu przedstawionego na rys. l.7 Wysokie napięcie stałe U zmierzyć za pomocą odpowiednio dobranego iskiernika kulowego. Pomiary przeprowadzić dla obu znaków napięcia. TP P 0 V C U ys. 1.7. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania zależności między wysokim napięciem stałym a napięciem pierwotnym transformatora probierczego 1... Napięcie przeskoku na izolatorze Pomierzyć napięcie stałe obu biegunowości powodujące przeskok na izolatorze wykorzystując następujące przyrządy: iskiernik kulowy (wykorzystać wykresy U = f( )), 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 napięcia Metoda U p U p s U p kv kv KV % 1..3. Pomiar napięcia udarowego 1..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 = U u /5U 0. Badania przeprowadzić dla obu znaków napięcia i dla dwóch wartości napięć ładowania U 0 : - dla 5% wartości znamionowej, - dla 75% wartości znamionowej. TP P 0 U 0 A p GU U u ys. 1.8. Schemat układu do pomiaru sprawności napięciowej generatora udarów 1..3.. Pomiar napięcia udarowego Pomierzyć napięcie udarowe wykorzystując następujące metody: - dzielnik rezystancyjny z układem pomiarowym wg rys. 1.3, - pomiar napięcia ładowania U o i obliczoną wcześniej sprawność napięciową η generatora. Badania przeprowadzić dla udarów o wartościach zbliżonych do 5% 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 napięcia Metoda U u U u s U u kv kv kv % 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 KONTOLNE 1. Podać metody pomiaru wysokich napięć przemiennych, stałych i udarowych.. 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. LITEATUA 1. Flisowski Z.: Technika wysokich napięć. Warszawa: WNT 1988. Wodziński J.: Wysokonapięciowa technika prób i pomiarów. Warszawa: PWN 1997 8
3. Kosztaluk Z. i in.: Technika badań wysokonapięciowych. Warszawa: WNT 1985 4. Szpor S.: Technika wysokich napięć. Warszawa: WNT 1978 5. PN-87/E-04053*. Pomiary wysokonapięciowe. Układy pomiarowe i wskazówki ich stosowania 6. PN-9/E-04060*. Wysokonapięciowa technika probiercza. Ogólne określenia i wymagania probiercze * Dane aktualne w chwili druku. Sprawdzić aktualność norm przed stosowaniem. 9