CC BY
129
Лемаев Р.А,
МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ЧАСТОТНОКОМПЕНСИРОВАННОГО ДЕЛИТЕЛЯ
В связи с переходом России на рыночные отношения требования к средствам учета и передачи электроэнергии ужесточились. В соответствии с [1] все расчеты за электроэнергию входят в сферу государственного метрологического контроля и надзора. Да и сами энергосбытовые организации заинтересованы как в более точном учете и контроле качества электрической энергии, так и в оперативной и достоверной информации о ее потреблении за произвольный период времени. В связи с этим возникает потребность в современных высокоточных средствах измерений параметров электрической энергии, определяющих ее качество. Элементом согласования высокого напряжения с измерительной цепью в таких средствах измерений зачастую является делитель напряжения.
Существует три основных вида делителей напряжения: омические, емкостные и смешанные емкостно-
омические, так называемые, частотнокомпенсированные делители.
Омический делитель состоит из последовательно соединенных сопротивлений Ях и R2, причем обычно сопротивление R2 значительно меньше, чем Rl (рис. 1).
Рис. 1
На практике параллельно сопротивлению R2 включено входное сопротивление измерительного прибора, и поэтому в зависимости от значения входного сопротивления коэффициент деления изменяется. Но в то время как влиянием входного активного сопротивления измерительного прибора на коэффициент деления почти всегда можно пренебречь, этого нельзя сказать в отношении емкостной нагрузки при высоких частотах и несинусоидальных формах импульса. Следовательно, коэффициент деления зависит от частоты.
Коэффициент деления емкостного делителя не зависит от частоты, и поэтому такой делитель будет идеальным вплоть до очень высоких частот. Однако причина ограничения применимости на практике емкостных делителей связана не с самими делителями, а с соединительными проводами. Индуктивность соединительных проводов, связывающих источник напряжения и делитель, как на стороне высокого напряжения, так и на стороне низкого напряжения, может быть определена как индуктивность контура с прямоугольной конфигурацией, и она составляет около 1 мкГн/м. Эта индуктивность вместе с емкостями источника и делителя образует последовательный колебательный контур. К тому же использование емкостных делителей предъявляет повышенные требования к входному сопротивлению прибора, шунтирующего нижнее плечо делителя. Для компенсации погрешности согласования необходимо увеличивать емкость нижнего плеча, а это приводит к увеличению входной емкости делителя и сдвигу резонансной частоты в область более низких частот.
Для преобразования сигналов сложной формы необходимо обеспечить равенство постоянных времени высокого и низкого плеча делителя ЯхСх= Я2С2. Такие делители называют частотнокомпенсированными (рис. 2).
Рис. 2
При выполнении делителей на высокие напряжения линейные размеры резистора Яі возрастают настолько, что необходимо учитывать их распределенные емкости относительно земли. Схема замещения такого делителя приведена на рис. 3.
Рис. 3
Ступень высокого напряжения делителя Ях и Сх представляют в виде N последовательно соединенных сопротивлений Я'х = Ях/^ и N последовательно соединенных емкостей С'х = CхN. Емкости каждого элемента относительно земли С'з обусловлены электрическими полями между каждым элементом и находящимися под потенциалом земли предметами. В соответствии с [2] емкость относительно земли может быть рассчитана по уравнению, применяемому для емкости на единицу длины вертикальных антенн и обычно составляет от 15 до 2 0 пФ/м. Идеальные передаточные характеристики делителя получаются, если Сх/Сз бесконечно велико. Однако такой делитель неприменим из-за его сильного влияния на источник напряжения. Как указано в [2] можно считать вполне достаточным, если это отношение больше трех.
В настоящее время в ФГУП «НИИЭМП» ведутся работы по созданию частотнокомпенсированного делителя на 10 0 кВ. Структура делителя приведена на рис. 4.
Рис. 4
Высоковольтное плечо делителя имеет секционную структуру. Это позволяет снизить рабочее напряжение на высоковольтных резисторах и конденсаторах, а также снизить рабочий ток, а следовательно, и мощность рассеяния. Конструктивно делитель выполнен в виде цилиндра с противокоронными кольцами на высоковольтной клемме. Корпус делителя изготовлен из диэлектрического материала и заполнен силиконовым маслом. Внешний вид делителя приведен на рис. 5.
Рис.5
Высоковольтные резисторы, используемые в делителе, выпускаются также в ФГУП «НИИЭМП». Это безин-дуктивные резисторы номиналом 300 МОм, с относительной погрешностью 1 %. Так как рабочее напряжение резисторов не превышает 25 кВ, то делитель необходимо было спроектировать из четырех секций. В качестве емкости использованы высоковольтные конденсаторы К15-25 с рабочим напряжением 40 кВ, номинальной емкостью 100 пФ. Макетный образец делителя обеспечивает коэффициент деления 10000 в диапазоне частот от 0 до 30 кГц с погрешностью не более 0,1%.
Литература
1 Федеральный Закон № 184-ФЗ "Об обеспечении единства измерений".
2 Шваб А. Измерения на высоком напряжении: Пер. с нем. - М.: Энергия, 1973.
