Измерение высоких постоянных напряжений

Для измерения высоких постоянных напряжений используется три основных метода: измерение с помощью измерительного шарового разрядника, измерение электростатическим вольтметром и измерение с помощью добавочных резисторов.

Измерительный шаровой разрядник представляет собой два металлических шара с хорошо обработанными поверхностями и с возможностью изменения расстояния между шарами. Этот разрядник считается очень надежным прибором для измерения постоянного напряжения, а также для измерения амплитуды переменного и импульсного напряжений. Разброс разрядных напряжений шарового разрядника не превышает , и при соблюдении условий измерения напряжения такова же и погрешность измерения напряжения.

Возможность измерения основана на законе Пашена, который связывает пробивное напряжение промежутка с расстоянием между поверхностями шаров. Зависимости пробивных напряжений от расстояния для шаров разных диаметров приведены в специальных таблицах, полученных путем тщательной обработки многочисленных экспериментальных данных. Таблицы составлены для давления воздуха 760 мм рт.ст. и температуры 20^оС. При других атмосферных условиях требуется корректировка табличного значения пробивного напряжения на относительную плотность воздуха.

Для защиты поверхности шаров от оплавления при пробое последовательно с разрядником устанавливается резистор сопротивлением, выбираемым из соотношения 1..10 Ом/В.

Если по шаровому разряднику градуируется другой измерительный прибор (электростатический киловольтметр или система с добавочным резистором), то расстояние между шарами выставляется на напряжение, на которое рассчитывается градуируемое устройство и напряжение медленно повышается до пробоя шарового разрядника.

Если проводятся измерения самим разрядником, то шары медленно сближаются до пробоя. По таблице для данного диаметра шаров из расстояния определяют разрядное напряжение, которое умножают на поправочный коэффициент, равный относительной плотности воздуха , если последняя отличается от единицы не более чем на 10% (то есть искомое пробивное напряжение равно табличному значению, умноженному на относительную плотность воздуха).

Электростатический вольтметр представляет собой конденсатор, одна из пластин которого подвижна и закреплена на пружине. Сила взаимодействия пластин определяется согласно закону Кулона произведением их зарядов, то есть , где q – заряд одной из пластин, k – коэффициент пропорциональности, зависящий от расстояния между электродами. Поскольку , где C – емкость конденсатора, U – напряжение между пластинами, то и отклонение подвижной пластины, пропорциональное действующей силе, зависит от квадрата измеряемого напряжения. Шкала такого киловольтметра квадратична.

Из высоковольтных электростатических киловольтметров распространен настольный прибор С-100, имеющий три предела измерения 25, 50, 75 кВ со входной емкостью в пределах 5..50 пФ и сопротивлением утечки порядка 10¹⁵ Ом. Киловольтметр С-96 позволяет измерять напряжения до 30 кВ, а киловольтметр С-101, представляющий собой напольную конструкцию достаточно больших размеров, – до 300 кВ.

Измерение высокого постоянного напряжения проще всего проводить с помощью магнитоэлектрического измерительного механизма, включенного последовательно с высоковольтным добавочным резистором с большим сопротивлением (рис. 8.8). Магнитоэлектрический механизм обладает самой высокой чувствительностью среди электромеханических измерительных механизмов, что позволяет ограничиться очень небольшими токами в измерительной цепи.

Рисунок 8.8 - Схема измерения высокого напряжения магнитоэлектрическим прибором с добавочным резистором

Добавочный резистор R_д рассчитан на полное измеряемое напряжение и обычно выполняется в виде цепочки последовательно соединенных резисторов с углеродистым или металлическим полупроводящим слоем. Сопротивление добавочного резистора выбирается не менее чем 1 МОм/кВ (ток менее 1 мА), чтобы обеспечить небольшое тепловыделение. Из-за возникновения токов утечки по поверхностям резисторов ограничивают сопротивление сверху, не более 10 МОм/кВ (ток 0.1 мА).

При напряжениях выше 100 кВ цепочку резисторов располагают по спирали и помещают в изоляционный цилиндр с маслом или элегазом. Масляная изоляция улучшает теплоотвод, а масло или элегаз позволяют увеличить допустимые напряжения на каждом резисторе цепочки. Величина измеряемого напряжения определяется протекающим током и сопротивлением резисторов, .