CC BY
170
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
УДК 53.082.72
Е. А. Ломтев, Д. И. Нефедьев
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И КОНСТРУКЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЕМКОСТНЫХ ДЕЛИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ
E. A. Lomtev, D. I. Nefed’ev
THE PRINCIPLES OF CONSTRUCTION AND DESIGN OF HIGH-VOLTAGE CAPACITOR DIVIDERS
Аннотация. Рассмотрены принцип построения и основные конструктивные решения, применяемые при создании высоковольтных емкостных делителей напряжения на 15 и 220 кВ соответственно. Предложена методика согласования емкостей конденсаторов измерительной цепи и второй эквипотенциальной цепи, состоящая в измерении напряжения с помощью электростатического вольтметра между контактными гнездами измерительной цепи и соответствующими гнездами второй эквипотенциальной цепи емкостных делителей напряжения.
Abstract. The principle of construction and the main constructive decisions applied at creation of high-voltage capacitor dividers on 15 kV and 220 kV respectively is considered, рredlozena method of matching capacitors measuring circuit and the second equipotential circuit consisting of voltage measurement using electrostatic voltmeter between pin sockets measuring circuit and the corresponding slots of the second equipotential circuit EDN.
Ключевые слова: принцип построения, высоковольтный емкостный делитель напряжения, измерительная цепь, эквипотенциальная цепь, конструкция делителя.
Key words: principle of construction, high-voltage capacitor divider, measuring chain, equipotential chain, divider design.
Емкостные делители напряжения (ЕДН) условно можно разделить на две группы: делители с сосредоточенными и распределенными емкостями на стороне высокого напряжения [1]. Первые содержат высоковольтный измерительный газонаполненный конденсатор, изоляция которого рассчитана на полное измеряемое напряжение, и плечо низкого напряжения. Преимущество ЕДН с использованием высоковольтных измерительных газонаполненных конденсаторов определяется их линейностью, постоянством коэффициента деления независимо от окружающей обстановки и незначительным обратным влиянием на источник напряжения. Однако существенным недостатком такого рода делителей является сложность экспериментального определения коэффициента деления ЕДН при рабочем напряжении.
5
ЕДН второго типа имеют на стороне высокого напряжения ряд последовательно соединенных конденсаторов. Применение такого рода делителей предпочтительнее, так как их конструктивное исполнение позволяет осуществлять автономную (независимую) поверку делителей, т.е. определять коэффициент деления емкостного делителя напряжения при рабочих напряжениях на каждом из конденсаторов, входящих в делитель.
Рассматриваемый ЕДН разработан специально для использования в установке для поверки измерительных трансформаторов напряжения и рассчитан на рабочее напряжение до 15 кВ [2].
Особенности принципа построения ЕДН состоят в следующем. Делитель содержит измерительную цепь и две эквипотенциальные цепи (рис. 1). Измерительная цепь содержит N номинально равных и последовательно соединенных конденсаторов (например, типа ФГТ-И) емкостью 0,1 мкФ. Рабочее напряжение на конденсаторах должно составлять не менее 2 кВ. Эквипотенциальные цепи содержат также N номинально равных последовательно соединенных конденсаторов емкостью 0,1 мкФ рабочим напряжением 4 кВ.
Рис. 1. Принципиальная схема емкостного делителя напряжения
Высоковольтное плечо делителя (С1) составляется, например, из 30 последовательно соединенных конденсаторов; замыкаемое плечо (С2) составляется из пяти конденсаторов, низковольтное (выходное) плечо (С3) делителя состоит из одного конденсатора. Конденсаторы должны иметь весьма малые потери и зависимость емкости от приложенного напряжения.
Эквипотенциальные цепи ЕДН выполняются аналогично измерительной цепи. При этом защитный потенциал электродов измерительного делителя СИ определяется соответствующим потенциалом эквипотенциального делителя СЭ1, а защитный потенциал экрана определяется соответствующим потенциалом эквипотенциального делителя СЭ2.
Конденсаторы измерительной цепи ЕДН с системой экранов соединяются между собой с помощью коаксиальных разъемов. К первой эквипотенциальной цепи они присоединены с помощью контактных гнезд, что обеспечивает возможность доступа к конденсаторам измерительной цепи при проведении независимой поверки. Для подключения делителя к источнику
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
высокого напряжения, а также для коммутации элементов делителя предусмотрены коаксиальные разъемы х1, х2, х3, х4.
Конструкция емкостного делителя напряжения и конденсаторов измерительной и эквипотенциальных цепей (рис. 2) разработана в соответствии с техническим решением, приведенным в [3]. ЕДН содержит в измерительной цепи конденсаторы в изолированном цилиндрическом корпусе с двумя выводами на общей оси. Каждый из конденсаторов 1 измерительной цепи помещен в металлические электроды 2 и 3 в виде «стаканов» разной высоты, которые электрически соединены 5 с выводами конденсатора.
Рис. 2. Конструкция конденсаторов измерительной цепи ЕДН-1 с системой экранов
Размеры электродов 2 и 3 подбираются таким образом, что электрод 2 охватывает один вывод и обкладку конденсатора, а электрод 3 - второй вывод конденсатора. Электроды 2 и 3 разделены с помощью изолирующего кольца 6 и помещены в двойные экраны 7 и 8. Защитный потенциал электродов 2 и 3 каждой ступени измерительной цепи делителя определяется потенциалом первой эквипотенциальной цепи, экраны которой укреплены на корпусе конденсатора (с помощью втулок 9).
Соединение конденсаторов измерительной цепи делителя производится с помощью коаксиальных разъемов 10 и 11 (например, розетки ср-50-73 фв и вилки ср-50-74 фв). Конденсаторы 12 первой эквипотенциальной цепи ЕДН подключаются к экранам 7, 8 посредством вилки 13 и розетки с контактами 14, которые крепятся на стойке 15. Экраны второй эквипотенциальной цепи 16 и 17 выполняются в виде плоских пластин на кожухе делителя и разделяются между собой кольцом 18 из изоляционного материала, а их потенциал определяется конденсаторами 19.
Конденсаторы измерительной цепи ЕДН выполняются трехзажимными с двойным экранированием. Конденсаторы первой эквипотенциальной цепи выполняются трехзажимными с одинарным экранированием. Конденсаторы второй эквипотенциальной цепи выполняются неэкранированными.
Соединение конденсаторов измерительной и эквипотенциальных цепей с помощью коаксиальных разъемов обеспечивает возможность определения погрешности ЕДН методом независимой (автономной) поверки или калибровки.
Следует отметить, что обеспечение постоянства коэффициента деления емкостного делителя напряжения в широком диапазоне измеряемых напряжений в решающей степени зависит от стабильности конденсаторов, составляющих измерительную цепь делителя.
Для достижения поставленной цели целесообразно применение в ЕДН такого типа конденсаторов, зависимость от приложенного напряжения которых минимальна в диапазоне 20...500 В. При изменении напряжения на конденсаторах в указанном диапазоне напряжений изменение емкости, в данном случае, не превышает ± 0,003 %.
Выходной конденсатор измерительной цепи ЕДН выбирается из ряда конденсаторов делителя таким образом, чтобы его погрешность, обусловленная зависимостью емкости от при-
7
ложенного напряжения, была равна средней погрешности ряда конденсаторов, входящих в измерительную цепь ЕДН.
С целью исключения емкостных утечек тока с конденсаторов измерительной цепи ЕДН на экраны, к которым присоединяются соответствующие конденсаторы первой экранирующей эквипотенциальной цепи, разработана методика согласования емкостей измерительной и первой эквипотенциальной цепей, состоящая в сравнении емкостей номинально равных конденсаторов измерительной и первой эквипотенциальной цепей мостовым методом. Разность значений емкостей между соответствующими конденсаторами измерительной и эквипотенциальной цепей (погрешность согласования) не должна превышать ±0,1 %. В случае если погрешность согласования превышает допускаемую, то параллельно соответствующим конденсаторам первой эквипотенциальной цепи необходимо подключить подгоночные конденсаторы.
Методика согласования емкостей конденсаторов измерительной цепи и второй эквипотенциальной цепи состоит в измерении напряжения с помощью электростатического вольтметра между контактными гнездами измерительной цепи и соответствующими гнездами второй эквипотенциальной цепи ЕДН (см. рис. 1). Погрешность согласования емкостей конденсаторов измерительной и второй эквипотенциальной цепей, обусловленная паразитными емкостями конденсаторов на землю, минимизируется путем подбора емкостей конденсаторов второй эквипотенциальной цепи.
Как сказано ранее, конструкция делителя, рассмотренного выше, рассчитана на рабочие напряжения до 15 кВ. В случае, когда необходимо измерять напряжения свыше этого предела, конструкция ЕДН требует некоторых изменений [4].
ЕДН до 220 кВ также выполняется в виде измерительной цепи и двух эквипотенциальных цепей (см. рис. 1) и состоит из последовательно соединенных и номинально равныхр высоковольтных конденсаторов (типа фгт-и).
Высоковольтное плечо делителя (С1) составлено, например, из 270 последовательно соединенных конденсаторов, замыкаемое плечо (С2) - из 49 конденсаторов, низковольтное (выходное) плечо (С3) содержит один конденсатор.
Конструктивно ЕДН выполняется в виде колонны. Конденсаторы измерительной и эквипотенциальных цепей размещены по окружности колонны из изоляционного материала в виде винтовой линии. На колонне ЕДН укреплены коаксиальные разъемы.
Каждый из конденсаторов измерительной цепи 1 с двумя выводами 2 и 3 на общей оси помещен в металлические электроды 4 и 5 в виде «стаканов» разной высоты и электрически соединен выводами 2 и 3 конденсатора (рис. 3). Электроды 4 и 5 помещены в двойные экраны 6, 7 и 8, 9. Между электродами и экранами расположено изоляционное кольцо 10. Защитный потенциал электродов 4, 5 и экранов 6, 7 и 8, 9 каждой ступени измерительной цепи ЕДН определяется потенциалами первой и второй эквипотенциальных цепей. Конденсаторы измерительной цепи выполняются трехзажимными с двойным экранированием.
Рис. 3. Конструкция конденсаторов измерительной и эквипотенциальных цепей ЕДН с системой экранов
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
Соединение конденсаторов ЕДН производится с помощью коаксиальных разъемов 11 и 12. Конденсаторы первой эквипотенциальной цепи 13 помещены в металлические электроды 14, 15 и экраны 16, 17, разделенные изоляционным кольцом 18. Конденсаторы первой эквипотенциальной цепи выполнены трехзажимными с одинарным экранированием. Конденсаторы второй эквипотенциальной цепи 19 выполнены неэкранированными.
Конденсаторы измерительной и эквипотенциальных цепей емкостного делителя напряжения ЕДН снабжены контактными гнездами 20, служащими для подключения средств измерений при настройке делителя.
Таким образом, высокая точность и стабильность емкостного делителя напряжения достигаются вследствие выполнения следующих условий:
1. ЕДН содержит две экранирующие эквипотенциальные цепи, обеспечивающие защиту измерительной цепи от емкостных утечек тока.
2. Емкости конденсаторов второй эквипотенциальной цепи подобраны с учетом паразитных емкостей конденсаторов на землю.
3. Утечки тока и влияние короны сведены к минимуму тем, что ни на один из конденсаторов или на изоляторы не действует напряжение свыше 500 В.
4. В ЕДН применены высокополированные некоронирующие конструктивные элементы и узлы.
Список литературы
1. Scharle, C. R. A compact high-precision guarded volt box / C. R. Scharle // IEEE Trans. Instrum. And Means. - 1971. - Vol. 20, № 4. - P. 152-160.
2. Нефедьев, Д. И. Автономно поверяемый высоковольтный емкостный делитель напряжения / Д. И. Нефедьев // Новые промышленные технологии. - 2003. - № 3. - C. 34-44.
3. Пат. 2086996 Российская Федерация. Устройство для поверки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения / Нефедьев Д. И. - Опубл. в Б. И. - 1997. -№ 22. - 20 с.
4. Нефедьев, Д. И. Методы поверки высоковольтных измерительных масштабных преобразователей, реализующие возможность автономного поддержания единства измерений / Д. И. Нефедьев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2005. - № 5. - С. 25-28.
Ломтев Евгений Александрович
доктор технических наук, профессор, кафедра информационно-измерительной техники, Пензенский государственный университет E-mail: rectorat@pnzgu.ru
Нефедьев Дмитрий Иванович
доктор технических наук, заведующий кафедрой информационно-измерительной техники, Пензенский государственный университет E-mail: iit@pnzgu.ru
Lomtev Evgeniy Aleksandrovich
doctor of technical sciences, professor, sub-department of information and measuring equipment,
Penza State University
Nefed'ev Dmitriy Ivanovich
doctor of technical sciences, head of sub-department of information and measuring equipment, Penza State University
УДК 53.082.72 Ломтев, Е. А.
Принципы построения и конструкции высоковольтных емкостных делителей напряжения /
Е. А. Ломтев, Д. И. Нефедьев // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. - № 4 (10). -С. 4-8.
