WYTWARZANIE I POMIARY

WYSOKIEGO NAPIĘCIA STAŁEGO

1. Omówienie tematu

Źródła wysokich napięć stałych znajdują szerokie zastosowanie jako zasilacze prądu stałego w liczych urządzeniach powszechnego użytku oraz w różnych urządzeniach specjalistycznych np. w telewizorach, generatorach udarowych, mikroskopach elektronowych, magnetronach, aparatach rentgenowskich. Są również powszechnie wykorzystywane do prób izolacji wysokonapięciowej urządzeń o dużej pojemności elektrycznej, np. kabli energetycznych i kondensatorów.

W laboratoriach wysokiego napięcie stałe jest wytwarzane zazwyczaj przez prostowanie wysokiego napięcia przemiennego 50 Hz w układach prostowniczych zawierających transformatory, prostowniki i kondensatory [1]. Układy prostownicze dzielą się na jednostopniowe (jedno lub dwuprostownikowe) oraz wielostopniowe nazywane generatorami wysokiego napięcia stałego.

Do bezpośrednich pomiarów wysokiego napięcia stałego służą iskierniki pomiarowe i wysokonapięciowe woltomierze elektrostatyczne. Często są stosowane również pośrednie metody pomiarowe, wykorzystujące rezystancyjne dzielniki napięcia stałego lub rezystory szeregowe.

W mechanizmach procesów przedprzebiciowych i przebicia dielektryków przy napięciu stałym w niejednorodnym, niesymetrycznym geometrycznie polu elektrycznym uwidacznia się wpływ biegunowości elektrod. Wpływ ten jest bardzo wyraźny w powietrzu w układzie ostrze-płyta, w którym napięcia początkowe wyładowań U₀ i napięcia przeskoku U_P zależą od biegunowości ostrza:

Znajomość wymienionych zagadnień jest wymagana w ćwiczeniu.

Są one przedstawione w pracy [1] w rozdz. 2, 6, 7 i 8 oraz [2] w rozdz. 2.

2. Układ probierczy

Napięcie stałe w ćwiczeniu wytwarzane jest przez dwu stopniowy generator napięcia stałego zwany również powielczem napięcia. Dla zrozumienia działania takiego układu rozważmy proces ładowania tego układu przedstawionego na rys. 1. Załóżmy, ze transformator probierczy na wystarczającą moc do ładowania pojemności C₁ i C₂ do wartości szczytowej w każdym półokresie napięcia. Ładowanie pojemności głównej układu odbywa się w szeregu cyklach, które omówiono poniżej.

a)

b)

Rys. 1. Dwustopniowy generator kaskadowy napięcia stałego (a), przebieg zmian napięcia przy C₁ = C₂ (b) C₁ - pojemność powielająca, C₂ - pojemność główna.

Cykl 1: przy wzroście napięcia w punkcie 3 od zera do przewodzi tylko prostownik P₁, a pojemności C­₁ i C₂ ładują się szeregowo do napięć:

Cykl 2: w czasie ujemnej połówki sinusoidy prostownik P₁ nie przewodzi, a P₂ zaczyna przewodzić od chwili, gdy potencjał punktu 3 stanie się niższy od:

i proces ładowania trwa tak długo, aż pojemność C₁ naładuję się do napięcia . Ponieważ potencjał punktu 1 jest w tym czasie ujemny prostownik P₁ nie przewodzi.

Cykl 3: prostownik P₁ zaczyna przewodzić, gdy potencjał punktu 1 będzie wyższy od potencjału 2, tj. wtedy, gdy siła elektromotoryczna transformatora probierczego będzie się zmieniać w przedziale:

.

W momencia rozpoczęcia przewodzenia przez P₁ część ładunku z C₁ zostaje odprowadzona na kondensator C₂. Napięcie, jakie ustali się na C₂ po tym procesie, można wyznaczyć wiedząc, że potencjały punktów 1 i 2 są równe, a więc pojemności C₁ i C­₂ łączą się równolegle. Robiąc bilans ładunków zgromadzonych na obu pojemnościach otrzymuje się:

Cykl 4: Siła elektomotoryczna transformatora ładuje teraz połączone szeregowo pojemności C₁ i C₂ do napięć:

w wyniku czego napięcie na kondensatorze C₂ osiągnie wartość

Dalej cykle powtarzają się, tzn. prostownik P₂ przewodzi, gdy potencjała punktu 1 stanie się ujemny, a prostownik P₁ przewodzi, gdy potencjał punktu 1 przekroczy wartość:

W tabeli 1 zestawiono wartości U₂ dla różnych cykli ładowania i wartości stosunku C₁/C₂.

Tabela 1. Zestawienie wartości osiągniętych w kolejnych cyklach działania układu powielającego.

C1\C2 Cykl	Wzór na U2	1	2	5	10
1		1/2	1/3	1/6	1/11
3		3/4	5/9	11/36	21/121
4		5/4	8/9	17/36	32/121
8		13/8	28/27	157/216	562/1331
n		2	2	2	2

Z tabeli 1 widać, że w dwustopniowej kaskadzie napięcia na pojemnościach C₂ stopniowo dążą do wartośći , aczkolwiek szybkość narastania zależy bardzo od wartości stosunku C₂/C₁. Pojemność C₁ otrzymuje poprzez prostownik P₁ ze źródła napięcia pełny ładunek odpowiadający napięciu i może ładować pojemność C₂, współdziałając ze źródłem napięcia w czasie, gdy napięcia na C₁ dodając się do napięcia źródła, staje się wieksze od napięcia na pojemności C₂, na skutek czego prostownik P₂ zaczyna przewodzić. W związku z tym pojemność C₂ ładuje się do napięcia . Należy tu dodać, że w żadnej chwili napięcia na prostownikach P₁ i P₂ nie przekraczają , a na pojemności C₁ " ".

3. Układy pomiarowe

Schematy układu probierczego wysokiego napięcia stałego i układów pomiarowych pokazana na rys. 2. Na rysunku tym podano również podstawowe parametry elementów układów.

4. Zadania

Zapoznać się z układem probierczym wysokiego napięcia stałego (rys. 1 i rys. 2a) i układami pomiarowymi (rys. 1b, c, d) oraz obliczyć:

- stałą napięcową układu pomiarowego wysokiego napięcia stałego (w V/mA),

-wskazania mikroamperomierza pomiarowego i woltomierza mierzącego napięcie zasilania transformatora przy 100 kV na wyjściu układu prostowniczego.

W obliczeniach przyjąć podwojenie napięcia w układzie prostowniczym, współcznynnik szczytu napięcia zasilającego k_S = , przekładnię transformatora równą znamionowej.

Zmierzyć zależność wysokiego napięcia stałego od napięcia zasilania transformatora TP 60 (układ pomiarowy wg rys. 2a i 2b).

Pomiary wykonać:

- bez obciążenia układu prostowniczego, w zakresie napięcia do 75 kV,

- przy załączonym obciążeniu R_obc, w zakresie prądu obciążenia do 10 mA.

Wyznaczyć współczynnik pulsacji napięcia stałego bez obciążenia i z obciążeniem (układ pomiarowy rys. 2a, 2c). Pomiary wykonać dla dwóch wartości napięcia.

-1. Zmierzyć zależność napięcia początkowego świetlenia i napięcia przeskoku w powietrzu od odległości elektrod ostrze-płyta dla obu biegunowości ostrza (układ pomiarowy wg rys. 2a, 2d).

5. Sprawozdanie

Sprawozdanie powinno spełniać wymagania podane w skrypcie [1] w rozdz. 22 oraz powinno zawierać:

• wykresy zależności wg pkt. 2 we wspólnym układzie współrzędnych,

• wykresy zależności wg pkt. 4 we wspólnym układzie współrzędnych,

• oscylogramy składowej zmiennej napięcia wyprostowanego,

• wnioski dotyczące pomarów parametrów napięcia stałego oraz badanego zjawiska wpływu biegunowości elektrod na napięcie świetlenia U₀ i napięcie przeskoku U_P w układzie ostrze-płyta.

6. Pytania kontrolne

Wysokie napięcie stałe - parametry i zastosowanie.

Jednostopniowe układy prostownicze wysokiego napięcia.

Wielostopniowe układy prostownicze wysokiego napięcia.

Elementy układów prostowniczych wn,: prostowniki wysokonapięciowe, kondensatory, transformatory zasilające.

Wysokonapięciowe woltomierze elektrostatyczne.

Dzielniki wysokiego napięcia stałego i rezystory szeregowe.

Wpływ biegunowości elektrody ostrzowej na napięcie świetlenia U₀ i napięcie przeskoku U_P w układzie ostrze-płyta - mechanizm zjawiska.

7. Literatura

Praca pod redakcją J. Fleszyńskiego, "Laboratorium wysokonapięciowe w dydaktyce i elektroenergetyce",OWPWr 1999 r.

[2]. Flisowski Z.: Technika Wysokich Napięć" WNT, Warszawa 1988, 1992, 1995.

Układy pomiarowe

a)

b)

c)

d)

Rys. 2. Schemat układu probierczego wysokiego napięcia stałego (a) i układów pomiarowych (b,c,d). C₁ ,C₂= 50 nF, C₃ = 2,35 nF, C₄ = 2,286 mF, R₁ = 100 MW, R₂ = 85 kW.

2

---