Изоляция высоковольтных элементов электрической системы - Измерение высоких напряжений при испытаниях изоляции

7. ИЗМЕРЕНИЕ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
7.1. Измерение высоких напряжений при испытаниях изоляции и в электрических сетях.

В электрических сетях установлены многочисленные объекты, влияющие на надежность и другие эксплуатационные показатели. К числу объектов, чья работоспособность существенно определяется электрической изоляцией, относятся трансформаторы различного назначения, аппараты (разъединители, выключатели и т.п.), изоляторы высокого напряжения (линейные, опорные). Каждый из объектов адаптирован к определенным условиям эксплуатации, в частности, к воздействиям номинального напряжения, перенапряжений определенных форм и величин, к различным факторам, влияющим на снижение качества изоляции (повышенная температура, увлажнение, загрязнения). В идеализированном случае возможны две ситуации: первая - разработчик аппарата (или объекта) гарантирует его определенный ресурс в условиях, когда практически имеющие место воздействия на аппарат в процессе эксплуатации не превышают воздействий, принятых в техническом задании на разработку объекта; вторая - когда в эксплуатации предусмотрены возможные ограничения предположительно опасных для аппарата воздействий, периодически контролируется расходование ресурса и производится восстановление ресурса доступными в условиях эксплуатации средствами.
Состояние объекта, исходно удовлетворяющего набору определенных требований, можно оценить путем контроля его отдельных параметров. Форма контроля устанавливается стандартами, нормами и методами испытаний, что в полной мере относится и к электрической прочности изоляции. Испытание типовое заключается в проверке соответствия электрической прочности изоляции электрооборудования конкретного типа требованиям соответствующих стандартов. Такие испытания осуществляются в специализированных лабораториях по рекомендациям разработчика оборудования путем приложения нормированных испытательных напряжений промышленной частоты и импульсов.
При массовом изготовлении уже доведенных конструкций электрооборудования производятся контрольные испытания по ограниченному сравнительно с типовым испытанием числу параметров. Во многих случаях контрольное испытание ограничивается приложением к изоляции электрооборудования испытательного одноминутного напряжения.
Измерение высокого напряжения необходимо не только в процессе испытаний, но и во время эксплуатации сетей высоких напряжений для целей измерения мощности, для обеспечения работы защит и регистрации перенапряжений. На подстанциях используются измерительные трансформаторы.
Измерительный трансформатор выполняет роль согласующего устройства между измеряемым высоким напряжением и низковольтным измерительным прибором. Такую же роль может выполнить делитель напряжения (емкостный, омический, смешанный), поэтому измерительный электромагнитный трансформатор в определенном смысле можно называть делителем индуктивным.
Устройства измерения напряжения подразделяются на две группы: измерители достигаемого уровня напряжения и измерители текущего значения напряжения. Типичным измерителем уровня является измерительный разрядник; текущие значения измеряют вольтметры электростатические и многие другие вольтметры с общим признаком измерения во времени реакции на приложенное в данное время к зажимам прибора напряжение.
Различные устройства измерения высокого напряжения (ВН) используют практически все физические эффекты, сопровождающие приложение к некоторой цепи напряжения или создание значительных по величине напряженностей электрического поля. Наибольшее распространение для выполнения измерений ВН переменного тока получили устройства, указанные на рис.7.1.

Рис 7.1
7.2.   Распространенные   в   применении   устройства   для   измерения высоких напряжений переменного тока.

7.2.1. Индуктивный (электромагнитный) трансформатор напряжения представляет собой электрическую цепь с взаимной индукцией. Наличие стального (или из магнитодиэлектрика) магнитопровода (сердечника) в общем случае делает цепь нелинейной. Однако, когда рабочая величина магнитной индукции Вм в сердечнике мала и магнитная проницаемость стали приближенно стабильна и при условии пренебрежения потерями на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе можно считать параметры в схеме замещения трансформатора линейными. Схема замещения реального понижающего трансформатора с обмотками и показана на рис. 7.2.

Первичное напряжение U уравновешивается суммой напряжений:
                                                                (7.1)
         где, Ri,Li - соответственно активное сопротивление и индуктивность рассеяния первичной обмотки;
Фо - основной поток трансформатора.
Удобно для наглядности анализа роли вторичной обмотки w2 использовать приведение ее параметров к параметрам обмотки первичной (w). Приведенный ток i'2 определим по условию сохранения магнитодвижущей силы, т.е. произведения тока на число витков. Тогда
(7.2)
Приведенные величины запишем в следующем виде:
                             (7.3)
Уравнение для вторичной обмотки с приведенными параметрами получает вид:
                                                                                           (7.4)
Ток намагничивания выражается как :

(7.5)
Из уравнений (7.1), (7.4) и (7.5) следует возможность представления трансформатора схемой замещения по рис. 7.3.
96

Другой вариант схемы замещения показан на рис.7.4 и такой вариант удобно еще раз трансформировать для случаев периодического тока с частотой f и круговой частотой и соответственно:
     (7.6.)                 (7.7)
 (7.8)
В результате получаем, что для внешних цепей четырехполюсник по рис.7.4
можно с приближением заменить эквивалентным Г-образным четырехполюсником, показанным на рис 7.5. Приближение связано с введением допущения независимости намагничивающего тока от тока нагрузки и неучетом влияния на ток  падения напряжения в первичной обмотке от намагничивающего тока.
Отметим, что степень различия напряжений
U и U2 предопределенная схемой по рис.7.5
объективно    характеризует   погрешность
измерения   напряжения   U1    no    коэффициенту
трансформации и по величине U2. Измерительный
индуктивный трансформатор напряжения (ИТН
представляет собой небольшой силовой трансформатор, работающий практически в режиме холостого хода. Для идеального ИТН без потерь и погрешностей коэффициент трансформации Кн приравнивается отношению числа витков:
                          (7.9)     

Рис 7.7
С,-высоковольтная емкость; Онгоковольтная емкость; С-низковольтная емкость, равная номинальной емкости для высокочастотной связи; Тр- промежуточный трансформатор; F-самогасящийся защитный искровой промежуток; Z и -полные сопротивления феррорезонансного защитного устройства; X-U-подключения с первичной стороны; x-u-основные вторичные обмотки; п,е-вспомогательные вторичные обмотки для обнаружения замыканий на землю; HF-подключение устройств высокой частоты для высокочастотной связи по линиям электропередачи.

Обычно номинальное вторичное напряжение составляет = 100В или в отдельных случаях U = 57,7В. Реальная погрешность измерения Ur по коэффициенту Кн и величине U обусловлена потерями в магнитопроводе на вихревые токи и перемагничивание, изменением сопротивлений обмоток вследствие нагрева. Ограничение погрешности измерения возможно при снижении индукции в магнитопроводе, потоков магнитного рассеяния, плотности тока в обмотках.
Номинальная мощность ИТН соответствует наибольшей мощности низковольтной нагрузки при обеспечении заданного (нормируемого) класса точности. По условию допустимого перегрева можно превысить номинальную мощность  до  9  раз;  такой  режим  следует учитывать  при  использовании измерительного трансформатора в качестве источника высокого напряжения, т.е. как трансформатор испытательный
В установках высших классов напряжений используют преимущественно однофазные ИТН, т.к. с ростом напряжения U значительно усложняется конструкция трансформатора, увеличивается его масса.
7.2.2. Емкостные трансформаторы
напряжения (ЕТН) серии НДЕ применяются
в установках с напряжением UH = 500; 750 и
1150 кв. Отметим, что масса однофазного
трансформатора НДЕ-500 равна примерно
3800 кГ, масса однофазного электромагнитного НКФ-500 составляет 4850кГ.
Емкостный трансформатор является разновидностью емкостного делителя (ЕД) переменного напряжения, но с индуктивной нагрузкой на вторичной стороне. Сущность использования ЕД поясняет рис.7.6.
В случае, когда эквивалентное сопротивление R нагрузки, например, индикатора напряжения И позволяет пренебречь ответвлением тока I в цепь индикатора, коэффициент деления ЕД определяется как
                     (7.10)
Величины емкостей C и Cприемлемые по соображениям реализации делителя с заданным К, при измерениях ВН получаются в случае индикатора с весьма высоким внутренним сопротивлением R, например, электростатического вольтметра. Однако, ТН во многих случаях обеспечивает низкоомную нагрузку (цепи релейных устройств, вольтметры электродинамические и т.д.) Тогда для емкости С добавляется специальная согласующая индуктивная цепь и такой модернизированный емкостный делитель образует собственно ЕТН. Схематическое изображение ЕТН для установки на открытом воздухе показано на рис.7.7, а схемы замещения ЕТН приведены на рис. 7.8 и 7.9. Емкость С имеет порядок тысяч микромикрофарад и реализуется цепочкой последовательно включенных одинаковых по величине емкостей     стандартного     номинала,     причем     число     таких     емкостей
обеспечивает требуемый  уровень  расчетного   напряжения   Vc, при  заданном
номинальном напряжении UH. Низковольтная нагрузка Z(X,R) согласуется с емкостью Сг посредством промежуточного трансформатора ТР, этот трансформатор обеспечивает напряжение U2 = 60 -100 В на нагрузке Z при напряжении Vc   -10 - 30 кВ на конденсаторе С2 . Индуктивность специально
введенного в схему дросселя определяется целесообразностью настройки в резонанс на рабочей частоте f сети, т.е. выполнением условия
                                                                          (7.11)
В общем случае следует полагать сопротивление нагрузки на частоте f комплексным:
Z = R+jX,                                                                                                                     (7.12)
однако на практике сопротивление нагрузки близко к индуктивному. Векторная диаграмма для схемы замещения ЕТН по рис. 7.9 показана на рис. 7.10; по диаграмме  очевидно,  что  угловая  погрешность  определена  несовпадением, напряжений векторов U и U . На диаграмме, как и в схеме замещения, Xi и Ri соответствуют    суммарным    сопротивлениям    индуктивности    дросселя    и
              трансформатора   и   эквиваленту   активных   потерь    в    индуктивностях   и
конденсаторах.
Построение                                                                                                           диаграммы
начинается с изображения в
принятом масштабе тока Iв от
произвольно выбранной точки 0.
Затем от другой выбранной точки 0
строим векторы паден. напряжения от тока Ig для построения   VC2.   На  линии   этого
напряжения находим точку 02 перпендикуляра через конец вектора Iв и уже от этого конца в масштабе тока откладываем: ток  известен, поскольку известны С2 и VC2. Треугольник токов замыкает
Ic и на линии его пересечения находим точку 03 начала перпен дикуляра, проходящего через конец
вектора   (точка      04   );   на Риг 7 10
продолжении этого перпендикуляра
от 04 откладываем рассчитанный по известным I и Cвектор UВектор результирующего напряжения U соединяет точки 0 и 05.

100

При   настройке   в  резонанс   согласно  условию     (7.11)  коэффициет трансформации определяем как:
                                                                                     (7.13)
и этот коэффициент слабо зависит от величины активной нагрузки, т.к. Uri «U
Блок высоковольтных конденсаторов C- С2 допускает использование и в качестве конденсатора высокочастотной связи.
Наличие в схеме ЕТН индуктивностей трансформатора и дросселя в отдельных случаях при переходных формах напряжения Ui может привести к феррорезонансу, ограничение возникающих при этом перенапряжений предусмотрено в схеме ЕТН (см.рис 7.7). Допускают также возможность роста напряжений U при увеличении нагрузки индуктивного характера, поэтому в режиме КЗ на вторичной нагрузке должен работать разрядник F.
7.2.3. Вольтметр электростатический является распространенным измерителем действующего (эффективного, среднеквадратичного) значения напряжения. Принято называть приборы электростатическими, если для измерения используется эффект взаимного смещения электродов под действием электрического поля. В электростатическом вольтметре (ЭВ) система двух электродов образует конденсатор с емкостью С; в конденсаторе при наличии электрического поля накапливается энергия .Схематическое представление об устройстве ЭВ дает рис.7.11. Отметим, что для плоского конденсатора характерным параметром является расстояние X между пластинами.
Взаимодействие разнополярных электродов
конденсатора характеризуется появлением силы F. При условии, что один из электродов (поверхность S) жестко закреплен, а второй подвешен на пружине А к изолятору' И, величина пондеродвигательной силы F уравновешивается механическим сопротивлением растягиваемой пружины. Величину силы определим как:

где п - постоянная данной конструкции вольтметра. Растяжение     пружины     под    действием    силы    F регистрируется  указателем  У;  поскольку  смещение указателя У по оси 0 - X пропорционально U2, то  прибор    по    этой    шкале    указывает    собственно действующее  значение  напряжения.   Усилие  F  для реально существующих конструкций ЭВ с небольшой поверхностью электродов невелико. Так, при Х=102м, поверхности S=104m2, приложенном напряжении 104 В и в воздушной среде (Ф/м) согласно (7.14) кг.  Полагая  конденсатор плоским,  найдем для такой конструкции  ЭВ  его входную емкость мкмкФ. Расчет усилия по (7.14) предполагает приложение напряжения U постоянного тока. Следовательно, аналогичное рассчитанному усилие получим и в случае приложения переменного тока с действующим значением, равным указанному U. Стрелка указателя У не будет «дрожать», если механическая постоянная подвижной системы ЭВ существенно превышает длительность полупериода прикладываемого напряжения. Следует отметить, что изоляция высоковольтного электрода вольтметра, условно обозначенная на рис.7.11 как И, должна быть рассчитана на воздействие амплитудного напряжения.
Конструкция ЭВ простая, вольтметры реализованы в виде конструкций для измерения напряжений от З0 В до З00 кВ и более. В отдельных вариантах конструкций ЭВ, измеряющих напряжения в десятки-сотни киловольт, электроды и подвижная система располагаются непосредственно в воздухе и на стабильность показаний могут влиять сквозняки и другие перемещения воздуха. С ростом номинального напряжения ЭВ возрастает расстояние между электродами вольтметра и конструкция в целом становится все более чувствительной к внешним электрическим полям. Достоинством электростатических вольтметров является высокое внутреннее сопротивление (Ом, емкость от 5 до 50мкмкФ), т.е. подключение вольтметра практически не нагружает дополнительно цепь измеряемого напряжения.
Вольтметр электростатический может выполнять абсолютные или относительные измерения.
Абсолютное измерение в общем случае имеет место, когда измеряемый параметр оценивается одной из основных физических величин, т.е. длиной, массой или временем. Это удобно, потому что единицы основных физических величин можно воспроизвести в любом географическом месте и в любое время. Вольтметры абсолютного измерения не требуют градуировки, необходимой при относительных измерениях, когда измеряемая величина сравнивается с эталоном измеряемого показателя (параметра). Наиболее часто в вольтметрах абсолютного измерения осуществляется «взвешивание» на рычажных весах
электростатического усилия между электродами. Пример такой конструкции показан на рис.7.12: электроды дисковые, подвижный электрод 2 снабжен охватывающим охранным  кольцом 1 и имеет с ним гибкую электрическую связь 3.Усовершенствование такого
вольтметра состоит в замене
гири взаимодействующих соленоидов, обтекаемых общим измеряемым и регулируемым током I. Одна из катушек механически закреплена, вторая связана с коромыслом взамен чашки с гирей. Сила взаимодействия Fk катушек определена как:
FK=m*I2,
где m-постоянная системы катушек и механической части весов (плечи а,в).
При уравновешивании пондеродвигательной силы F (см.(7.14)) силой Fk выполняется равенство mI2=n*0,5*U2, из которого следует:
                                                    (7.15)
Для абсолютных измерений высоких напряжений принципиально применимо
измерение кинетической энергии частиц, ускоряемых в электрическом поле.
Возможно использование для целей измерения ВН количественной оценки
интенсивности ядерных реакций при бомбардировке ядер легких атомов
быстрыми протонами. Измерение амплитуды U напряжения, вызывающего
пробой измерительного (например, шарового) промежутка также относится к
абсолютному   измерению,    если   связь    между     U   u  S            установлена
аналитически для математической модели процесса пробоя.
Погрешность измерения для электростатических вольтметров упрощенных конструкций в лабораторных и в производственных условиях оценивают в пределах от 1 до 3%. Путем совершенствования методики измерения и конструкции ЭВ погрешность можно снизить до 0,3%.
7.3. Измерение напряженности электрического поля.
Измерение напряженности электрического поля Е означает фактически измерение определенного эффекта, через который измеряемая напряженность Е проявляет себя.
Известно, что в электростатическом поле имеет место механическое воздействие на неподвижные электрически заряженные тела и частицы. Напряженность Е является вектором и равна отношению механической силы f, действующей на неподвижное положительно заряженное пробное тело, помещенное в данную точку поля, к величине заряда qo этого тела. Если допустить, что размер сферического тела (радиус г0) с пробным зарядом и величина самого заряда q0 настолько малы, чтобы не исказить исследуемое
поле, тогда справедливо выражение  и
Известно, что в электрическом поле неподвижных электрически заряженных тел, т.е. в электростатическом поле каждая точка пространства характеризуется своим потенциалом U. Поверхности равного потенциала (на плоскости это линии) и поток вектора напряженности электрического поля, переходящий при предельном уменьшении сечения площадки прохожденш потока в силовую линию поля, взаимно перпендикулярны. Поскольку разность потенциалов U для весьма близко расположенных точек (расстояние Х) в пределе характеризует напряженность Е, то
      при Х0.

Следовательно, измерение потенциалов поля позволяет рассчитать напряженности поля. 
Одна из практически реальных конструкций устройства измерения напряженности электрического поля действует подобно электронному счетчику импульсов. Собственно электронный счетчик имеет ампулу с газом и электродами, между которыми создается электрическое поле от зарядов на электродах. Внешнее радиоактивное излучение влияет на интенсивность ионизации газа в ампуле и регистрируемую итоговую проводимость цепи. В измерителе напряженности поля произошла перемена мест: стабилизированный по интенсивности облучатель (источник альфа-излучений) воздействует на газ, а измеряемое электрическое поле определяет итоговую проводимость цепи как результат ионизации газа.
Такое устройство способно измерять после соответствующей градуировки напряженности электрического поля на уровне до 10 В.см.
Следует отметить, что в установках переменного тока измерители напряженности электрического поля реагируют именно на эту составляющую поля электромагнитного.
Измерение потенциалов в точках диэлектрической среды для последующих расчетов напряженности поля требует введения в диэлектрик зондов-электродов'и сопровождается искажением исходного поля. Поясним это
положение. Пусть некоторое тело А (рис.7.13) расположено в диэлектрической среде и обладает потенциалом UА Это тело создает электрическое потенциальное поле, в частности, в точке 1 потенциал U. Введем вблизи точки 1 зонд-электрод В, заземленный для измерения потенциала через цепь измерителя И. Даже при весьма малых  размерах   зонда   в   зависимости   от сопротивления измерителя
потенциал зонда может изменяться от нуля
(при Z0) до Ub U (при Zh). Измерители с высоким внутренним активным сопротивлением (порядка 1014 - 1017Ом) реально существуют: вольтметры электростатические и вольтметры электронные с внутренними усилителями. В условиях электростатики такие измерители соответствуют электрометрам.
Соображения, приведенные выше, достаточны, чтобы оценить задачу измерения потенциала и напряженности электрического поля в изоляционной среде (воздух, например) как сложную с точки зрения создания измерительных устройств и в плане методики проведения измерения и их интерпретации. В тоже время такие измерения нужны при организации работ вблизи установок высокого напряжения как средство предупреждения исполнителя работы об опасном   или   предельно   допускаемом   приближении   к   высоковольтному элементу.
Индивидуальные звуковые сигнализаторы высокого напряжения рабочей частоты в сущности являются регистраторами заданного уровня электрической составляющей электромагнитного поля. Можно выделить два направления исследований: одно - это разработка собственно такого устройства и второе -обеспечение условий его правильного функционирования в качестве устройства электробезопасности.
Сигнализатор напряжения индивидуального пользования типа СНИ-6-10 относят к дополнительным средствам защиты обслуживающего персонала на воздушных ЛЭП и на мачтовых трансформаторных подстанциях с Uh=6-10kB.
Блок-схема СНИ показана на рис.7.14.

В электрическом поле тока рабочей частоты на электроде Э относительно «массы» схемы возникает напряжение. Полевой транзистор Vbx является согласующим элементом для входа усилителя У. В усилитель входит также схема электронного реле с частотой срабатывания 1 кГц. Звуковой сигнал после дополнительного усиления в схеме с Увьгх воспроизводится микрогромкоговорителем BF. Звуковой сигнал появляется на расстоянии не менее 1,4 м от сигнализатора до ближайшего провода ВЛ 6-10 кВ. Габариты сигнализатора 95x60x40 мм, масса 0,14 кг; предусмотрено крепление СНИ на защитной каске. Порог начала звучания сигнализатора установлен для вполне конкретных ситуаций, например, подъема монтера на опоре ВЛ. Этой ситуации соответствует картина электрического поля у проводов линии. В другой ситуации, например, при приближении монтера к токоведущим частям распределительного устройства вследствие экранирования поле ослабевает и срабатывание схемы СНИ может произойти при опасном приближении человека к элементам с высоким напряжением. Поэтому для разных производственных  ситуаций  следует  иметь  различные  специализированные СНИ.  Известны  такие  сигнализаторы  на стрелах автокранов,  работающих вблизи ВЛЭП.
Контрольные вопросы.
Необходимость измерения высоких напряжений переменного тока. Измерительные трансформаторы (электромагнитный, емкостный) и особенности их использования.
Вольтметр электростатический. Измерения относительные и абсолютные.
Особенности измерения напряженности электрического поля и примеры устройств-измерителей.
Литература
Кужекин И.П. Испытательные установки и измерения на высоком напряжении. -М.;Энергия, 1980. - 136 с, ил.
Шваб А. Измерения на высоком напряжении. (Измерительные приборы и способы измерения). Пер. с нем. М.;Энергия, 1973. - 232 с, ил.
Нейман А.Р., Калантаров П.Л. Теоретические основы электротехники, Теория цепей переменного тока. - М. -Л.; ГЭИ, 1950. - 444 с, ил.
Гусев Ю.Н. и др. Средства и устройства безопасности для работ в электроустановках. М.; Энергоатомиздат, 1988. - 96 с, ил.