Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie		Wydział: Elektrotechniki Automatyki Informatyki i Elektroniki
Laboratorium Techniki Wysokich Napięć
Wykonał: Janusz Redlica	Temat ćwiczenia: Metody pomiaru wysokich napięć.		Grupa: B
Rok: IV
Specjalność: Elektroenergetyka	Data wykonania: 12.10.98	Data oddania: 20.10.98	Ocena:

Techniczne zastosowanie wysokich napięć związane jest z wykonywaniem prób napięciowych materiałów izolacyjnych oraz urządzeń elektrycznych. Dlatego pomiar napięć udarowych jest tak ważny w technice wysokich napięć. Napięcia udarowe powinny się charakteryzować się następującymi własnościami:

• częstotliwość napięcia powinna zawierać się w przedziale 40÷62Hz ( w szczególnych przypadkach np. badanie wytrzymałości dielektryków - 1 Hz, izolacji uzwojeń transformatora 200Hz,

• stosunek amplitudy przebiegu do jego wartości skutecznej nie powinien różnić się od wartości
  bardziej niż ±5%.

Pomiary wysokiego napięcia stanowią zasadniczy problem zarówno techniczny jak i ochrony osób wykonujących pomiary. Najczęściej spotykanymi metodami pomiaru napięć są :

pomiar napięcia iskiernikiem kulowym,

metoda prostownikowa z kondensatorem szeregowym,

pomiar woltomierzem elektrostatycznym,

pomiar woltomierzem wirującym,

pomiar metodą pośrednią - poprzez dzielnik napięcia : oporowy, pojemnościowy,

Iskiernik pomiarowy ( kulowy):

Jest to iskiernik powietrzny utworzony przez dwie jednakowe elektrody kuliste (o znormalizowanej średnicy) o dostatecznie dużych średnicach i niewielkich odstępie a, gwarantujący równomierny rozkład pola w przestrzeni międzyelektrodowej. Konstrukcja iskiernika może być pozioma (D≤250mm) lub pionowa gdy rozmiary kul są większe.

Pomiar wysokiego napięcia metodą iskiernika kulowego polega na wykorzystaniu właściwości dielektryków gazowych w polu jednostajnym, tzn. stałej w danych warunkach wytrzymałości dielektrycznej. Warunek jednostajności rozkładu pola elektrycznego w układzie elektrod kulowych może być spełniony przy zastosowaniu iskierników o odpowiednio dużej średnicy dla danej odległości elektrod. Napięcie przeskoku jest to największa wartość chwilowa, która wystąpiła od chwili doprowadzenia napięcia do chwili przeskoku.

Iskiernik stosujemy do pomiaru : - wartości szczytowej napięć dowolnie zmiennych,

- napięć stałych,

-wartości szczytowej napięci udarowego.

Wraz ze wzrostem napięcia muszą rosnąć średnice elektrod związane jest to z niejednostajnością rozkładu pola elektrycznego przy większych odległościach. Iskiernikiem kulowym możliwy jest pomiar z dokładnością ±3%. Pomiar napięcia udarowego iskiernikiem kulowym praktycznie jest możliwe, gdy czas trwania czoła T_c ≥1μs i jego czas do półszczytu T_c ≥5μs, bowiem proces wyładowania zupełnego w gazie wymaga pewnego niezbędnego czasu, a, gdy ten jest za krótki, przeskok pojawia sięz opóźnieniem lub przy napięciu wyższym od udarowego napięcia przeskoku dla danej odległości. Dlatego przy pomiarze napięć udarowych, dla uniknięcia opóźnienia przeskoku, stosuje się sztuczną izolację przerwy iskrowej przez dowolny czynnik jonizujący, np. preparat jonizujący umieszczony we wnętrzu jednej z kul lub naświetlenie przerwy iskrowej promieniowaniem o małej długości fal (np. promieniowaniem ultrafioletowym lampy kwarcowej ), co powoduje zwiększenie liczby swobodnych elektronów. Zasadniczymi zaletami iskiernika kulowego są: niezawodność działania, prostota układu pomiarowego, łatwość przeprowadzania pomiaru, powtarzalność wyników, możliwość pomiaru wartości szczytowej napięcia dowolnie zmiennego. Wadą jest występowania każdorazowo podczas pomiaru zwarć w układzie pomiarowym.

Aby zapewnić dostateczną dokładności pomiaru muszą być spełnione wymagania:

• utrzymanie wymiarów układu pomiarowego w dopuszczalnych granicach,

• przestrzeganie warunku
  (pomiar z dokładnością ±3% napięcia przemiennego i udarów o T₂ ≥50 μs),
  dokładność ±5%, T₂≥50 μs,
  dokładność ±5% , dla napięć stałych.

• przestrzeganie tolerancji wymiarów średnicy ΔD≤0,002D,

• utrzymanie powierzchni elektrod w stanie gładkim i czystym,

• przestrzeganie osiowego ustawienia elektrod,

• zachowanie przy pomiarach udarowych odstępu czasu między kolejnymi udarami t>5 s,

• eliminowanie wpływu statycznego opóźnienia przeskoku przy pomiarach napięć udarowych iskiernikiem o średnicy D≤125mm przez podświetlanie (napromieniowanie) jego przerwy.

Iskiernik pomiarowy nie nadaje się do pomiaru napięć krótszych niż 3 μs i f ≥ 20 kHz ponieważ uchyby są zbyt duże.

Należy stosować zabezpieczenia elektrod przed skutkami przepływu prądu, stosuje się rezystancje szeregową o wartości 1Ω na 1V, prąd nie powinien przekraczać 1A.

Metoda prostownikowa z kondensatorem szeregowym.

Metoda nadaje się do ciągłego pomiaru napięcia przemiennego (wartości szczytowej ) lub innego odkształconego, lecz posiadającego tylko jedno ekstremum w każdej połowie okresu. Połączenie między kondensatorem i częścią niskonapięciową układu powinno być wykonane krótkim przewodem ekranowym, w przeciwnym wypadku rezystancja i pojemność C tego przewodu wprowadza błąd , który fałszuje wynik pomiaru. Błędy pomiaru mogą pochodzić od błędnego określenia częstotliwości Δf/f, pojemności ΔC/C, błędnego odczytu prądu Δα/α.

Woltomierz elektrostatyczny.

Miernik ten jest przyrządem , w którym zazwyczaj jedna z elektrod zmienia swe położenie pod działaniem pola elektrostatycznego. Zmiana energii kondensatora płaskiego przy zmianie odległości elektrod ∂a wynosi :

gdzie:

s - powierzchnia elektrody,

a - odległość między elektrodami,

ε - przenikalność elektryczna względna,

ε₀ - przenikalność elektryczna próżni.

ε₀ = 8.85*10^-12 [F/m]

Praca jaką wykona siła elektrostatyczna oddziaływania F wynosi:

Stąd:

W gazach o ciśnieniu atmosferycznym na 1 cm² powierzchni elektrody działa siła bardzo mała, np. gdy E=10 kV/cm, s=1 cm², F= 0.39 [Nm]. Wielkość siły F można powiększyć przez:

• zastosowanie elektrod o większej powierzchni, np. dużych iskierników kulowych ,

• zastosowanie sprężonych gazów o ciśnieniu ok. 15 at. posiadających większą wytrzymałość elektryczną,

Woltomierz wirujący.

Woltomierz wirujący zawiera dwie nieruchome elektrody wirujące E₁ i E₂, w których polu elektrycznym obraca się metalowy wirnik, składający się z dwóch odizolowanych części A i B, połączonych z komutatorem K, umieszczonym na tym samym wale co wirnik. na wirujących częściach wirnika indukują się ładunki elektryczne przy czym ich wartość chwilowa zależy od wartości napięcia i położenia wirnika w polu elektrycznym. Suma tych pojemności jest w każdej chwili stała.

Zakres mierzonego napięci zależy od odstępu między elektrodami i wirnikiem.

Dzielniki napięciowe.

Powszechnie stosowane do pomiaru wysokiego napięcia są dzielniki pojemnościowe i oporowe, współpracujące z odpowiednimi miernikami. Zastosowanie ich do pomiaru napięcia udarowego wymaga zastosowania kabli opóźniających, eliminujących błędy pomiaru. Błędy odpowiedzi w oporowym dzielniku napięcia są spowodowane przez indukcyjności uzwojenia i pojemność doziemną poszczególnych części uzwojenia. Przez zastosowanie specjalnych konstrukcji dzielników błąd ten można sprowadzić do bardzo małej wartości, np. zastosowanie uzwojenia krzyżowego pozwala na prawie całkowite usunięcie wpływu indukcyjności na odpowiedź dzielnika. Znacznie trudniejszym problemem jest eliminowanie wpływu pojemności doziemnych wynikającego z nierównomiernego rozkładu napięcia wzdłuż dzielnika przy wyższych częstotliwościach. Poprawę tego rozkładu uzyskuje się przez zastosowanie ekranów umieszczonych na wierzchołku dzielnika, jest to jednak sposób skuteczny przy dzielnikach na napięcie udarowe do 2 MV. Przy wyższym napięciu ekrany musiałyby posiadać znaczne wymiary.

Oscyloskop.

Do obserwacji i rejestracji przebiegów wysokonapięciowych o niezbyt szybkich zmianach mogą być stosowane oscyloskopy ogólnego przeznaczenia. Przebiegi szybkozmienne, jak impulsy piorunowe typu LEMP (ang. Lightning Electromagnetic Pulse), wymagają oscyloskopów szybkopiszących o prędkości rejestracji ok. 10² mμs^-1. Specjalne oscyloskopy wysokonapięciowe różnią się od pozostałych bezpośrednim doprowadzeniem napięcia mierzonego do układu odchylania pionowego. Ze względu na niewielką ich czułość napięcie to musi być dostatecznie wysokie (kilkaset woltów). Czułość ich maleje ze wzrostem napięcia przyspieszającego (osiągającego 24 kV), zwiększa się zaś jasność obrazu. Oscyloskopy wyposażone w fotograficzne rejestratory mierzonych przebiegów są nazywane oscylografami.

Klidonograf.

Niekonwencjonalny miernik wartości szczytowej impulsu napięciowego działający na zasadzie fotograficznych rejestracji wyładowań powierzchniowych (niezupełnych). Wyładowania te są wywołane w układzie złożonym z dwu elektrod o różnych wymiarach przedzielonych dielektrykiem stałym. Powierzchnia dielektryka wzdłuż której następuje wyładowanie jest osłonięta warstwą materiału światłoczułego. Na jej warstwie są rejestrowane obrazy wyładowań, zwane figurami Lichtenberga, których rozmiar i kształt pozwala określić maksymalną wartość i biegunowość doprowadzonego do elektrod napięcia.

Bezpośredni pomiary są wykonywane do 30 kV, głównym zastosowaniem klimodografu jest pomiar napięć indukowanych przez prądy piorunowe, a pośrednio do wyznaczenia maksymalnej stromości narastania prądu, do których są proporcjonalne te napięci.

Elektrometry.

Stosowane są do pomiaru gęstości powierzchniowej ładunku σ i wywołanego nim (przy naładowanej powierzchni) natężenia pola elektrycznego E. Bezpośrednio bowiem jest mierzone napięci U₂ proporcjonalne do napięcia U wywołanego przez ładunek między powierzchnią naładowaną a ziemią.

Unn	Uc	Uwn	Iprost	Upros	iskier		Uiski
[kV]	[kV]	[kV]	[μA]	[kV]	[mm]			[kV]
5	5		10	2,27	4,8		8,76
	7,5				6		10,95
10,1	10	10	30	6,82	6,5	p [Pa] 98000	11,86
	12,5				8,5		15,51
15,1	15	15	55	12,5	10		18,24
	17,5				11	t [K] 294	20,07
20	20	20,3	80	18,18	12,5		22,80
	22,5				14		25,54
25	25,1	25,7	90	20,45	15,5	d 0,864	28,28
	27,6				17		31,01
29,3	30,1	30,2	120	27,27	19		34,66
33,85	34,9	34,8	155	35,23	21,8		39,77
38,7	39,9	39,2	170	38,64
43,3	45,1	44,2

Wyniki pomiarowe zobrazowane na wykresach porównują metody pomiarowe różnymi rodzajami mierników przystosowanymi do pomiaru wysokich napięć. Pomiar po stronie niskiego napięcia uznaliśmy za najbardziej dokładny (obarczony najmniejszym błędem), do niego porównywaliśmy resztę pomiarów. Z wykresów widzimy że pomiar prostownikiem z kondensatorem szeregowym jest najbardziej niedokładny w zakresie niższych napięć, natomiast w wyższych napięciach niedokładna jest metoda iskiernikiem kulowym. Pomiaru za pomocą dzielnika napięciowego wykonaliśmy przy użyci dzielnika rezystancyjnego o wartości 1/1000 (110 kV). Błąd w iskierniku pomiarowym wynika z zastosowania opornika ochronnego wynosi:
.

Błąd pomiarowy przy użyciu prostownika z kondensatorem szeregowym wynosi:

---