делитель напряжения для измерений при коммутационных испытаниях высоковольтных аппаратов и способ компенсации влияния на коэффициент деления емкости делителя на землю

Формула изобретения

1. Делитель напряжения для измерений при коммутационных испытаниях высоковольтных аппаратов, содержащий высоковольтное плечо, состоящее из последовательно соединенных R-C-r-блоков, каждый из которых содержит конденсатор С¹₁ и соединенный с ним последовательно низкоомный демпфирующий резистор , а также шунтирующий это соединение высокоомный резистор , и низковольтное плечо, расщепленное на две части - низковольтный блок и выносной блок, соединенные между собой коаксиальным кабелем, причем упомянутый низковольтный блок содержит последовательно соединенные конденсатор С₂ и низкоомный резистор r ₂, которые шунтированы высокоомным резистором R ₂, а упомянутый выносной блок содержит параллельно соединенные емкость С₃ и высокоомный резистор R₃, последовательно с которым включено сопротивление r₃, равное волновому сопротивлению кабеля, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности компенсации влияния емкости высоковольтного плеча на землю путем подстройки коэффициента деления, в упомянутом выносном блоке емкость С₃ выполнена из двух соединенных параллельно емкостей, одна из которых С₃₀ имеет постоянное значение, а другая С₃ является регулируемой от нуля до максимального значения.

2. Делитель напряжения по п.1, отличающийся тем, что регулируемая емкость С₃ выносного блока выполнена в виде суммы дискретных емкостных элементов, значения емкостей которых отличаются друг от друга по двоичной системе (например, 0,5; 1; 2; 4% от суммарной емкости низковольтного плеча и т.д.), причем каждый упомянутый емкостный элемент подключен параллельно емкости С₃₀ через свой выключатель.

3. Способ компенсации влияния емкости делителя на землю на коэффициент деления делителя напряжения, отличающийся тем, что в нем производят настройку коэффициента деления после окончательного выбора месторасположения делителя среди остальных объектов высоковольтной схемы испытаний следующим образом: регулируемую емкость устанавливают в максимальном значении С_3mах. (в случае применения емкостных элементов с дискретными значениями должны быть подключены все элементы С_3-i); делитель напряжения отсоединяют от испытательной схемы и подсоединяют к источнику калибровочного напряжения U ₁ частоты 50 Гц; по команде руководителя настройки коэффициента деления производят одновременный отсчет приложенного U₁ и выходного U₂ напряжений, после чего вычисляют значение отличия коэффициента деления от номинального значения по формуле

производят уменьшение значения С₃ на величину, соответствующую значению С_нв · _к/100, где С_нв - емкость низковольтного плеча.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к измерениям высокого напряжения при коммутационных испытаниях высоковольтных аппаратов.

При испытаниях на коммутационную способность высоковольтных аппаратов, например высоковольтных выключателей, необходимо измерять напряжение на испытуемом аппарате в течение всего испытательного цикла.

В течение опыта отключения тока короткого замыкания форма напряжения, воздействующего на выключатель, весьма специфична и отражает три стадии процесса отключения: напряжение на электрической дуге, восстанавливающееся напряжение и возвращающееся напряжение промышленной частоты. Кроме того, при некоторых видах испытаний возможно длительное приложение постоянного напряжения. Анализ формы кривой напряжения показывает, что спектр частот, подлежащих регистрации, простирается от 50 Гц до сотен килогерц. Диапазон мгновенных значений напряжения от - 0,1 U_ном (при дуге) до (2-3) U_ном при восстановлении напряжения.

Для измерения высоких напряжений при коммутационных испытаниях выключателей применяются высоковольтные делители напряжения.

Известен делитель напряжения [1], содержащий соединенные последовательно элементы, каждый из которых состоит из последовательно соединенных низкоомного резистора и конденсатора; параллельно каждому из указанных элементов подсоединен высокоомный резистор.

Известен емкостно-омический делитель напряжения [2], содержащий высоковольтное плечо и расщепленное низковольтное плечо. В [2] показано, что в режиме коммутационных испытаний применение емкостно-омического делителя с демпфирующими резисторами и "расщепленным" низковольтным плечом дает наименьшие погрешности.

Электрическая схема такого делителя приведена на фиг.1.

Высоковольтное плечо делителя представляет собой колонну из последовательно соединенных R-C-r блоков, каждый из которых содержит конденсатор , соединенный с ним последовательно низкоомный демпфирующий резистор и шунтирующий это соединение высокоомный резистор .

Низковольтное плечо делителя расщеплено на две части - низковольтный блок и выносной блок.

Низковольтный блок содержит последовательно соединенные конденсатор С₂ и низкоомный демпфирующий резистор r₂, которые шунтированы высокоомным резистором R₂. Точка соединения С ₂ и R₂ подключена к выводу "земля" и к экрану кабеля. Противоположный вывод - точка соединения резисторов R₂ и r₂ - через сопротивление r₀ подсоединен к жиле кабеля К. При этом в низковольтном блоке выдерживается равенство r₂+r₀= ₀, где ₀ - волновое сопротивление кабеля К.

Выносной блок содержит емкость С₃ и шунтирующий резистор R ₃. Точка соединения С₃ и R₃ подключена к корпусу выносного блока и экрану кабеля. Точка соединения противоположных выводов С₃ и R₃ через сопротивление r ₃, равное ₀, подсоединена к жиле кабеля.

Очевидно, что делитель напряжения должен иметь такие параметры элементов, которые обеспечивают идентичность форм первичного и вторичного (выходного) напряжений, т.е. должен иметь единый коэффициент деления как на постоянном напряжении, так и в заданном диапазоне частот переменного напряжения.

С целью обеспечения единого значения коэффициента деления как на постоянном напряжении, так и на переменном во всем диапазоне частот, в делителе выдержаны соотношения

где ВП и НП - соответственно высоковольтное и низковольтное плечи;

- число R-C-r блоков;

причем ; r_НП=r₂; C_НП=C₂+C ₃, причем .

Наличие шунтирующих резисторов в высоковольтных R-C-r блоках обеспечивает на постоянном напряжении равномерное распределение высокого напряжения по блокам.

На постоянном напряжении значение коэффициента деления К _д(R) составляет

Сложнее обстоит дело с делением переменного напряжения. Соотношения между сопротивлениями и емкостями в делителе напряжения таково, что переменное напряжение в нем распределяется по емкостям. При этом, без учета влияния емкостей R-C-r блоков на землю коэффициент деления на переменном напряжении выражается формулой

Выражения (2) и (3) полностью соответствуют друг другу, поэтому с учетом (1)

к_д(R)=К_д(C).

Практически выражение (3) имеет место, когда емкость R-C-r блоков на "землю" весьма мала по сравнению с продольной емкостью . Поэтому одно из требований нормативной документации таково: при измерении высоких напряжений не должно быть никаких заземленных элементов испытательной схемы на расстоянии от делителя напряжения ближе, чем значение высоты делителя.

Однако при весьма высоких напряжениях, когда высота делителя напряжения равна или более 5 м, обеспечить это требование на практике невозможно, особенно при сложных синтетических испытательных схемах, с большим количеством элементов испытательной цепи; в этих случаях расстояния от делителя напряжения до заземленных элементов выбираются из соображений обеспечения отсутствия пробоя воздушного зазора между делителем и элементами испытательной цепи, т.е. значительно меньше высоты делителя; поэтому емкость на "землю" и соответственно отношение C_e/C₁ достигает больших значений.

С учетом влияния емкости элементов высоковольтного плеча делителя на землю реальный коэффициент деления делителя на переменном напряжении определяется не выражением (3), а следующим

Это значит, что из-за влияния емкости на землю К_д(C) K_д(R). Такое положение приводит к тому, что кривая первичного напряжения, имеющая как постоянную, так и переменную составляющие разных частот, на выходе делителя напряжения предстает в искаженном виде.

Недостатком делителя напряжения [2] является невозможность компенсации влияния на коэффициент деления при измерении переменного напряжения емкости элементов высоковольтного плеча делителя на землю, служащей причиной недопустимых значений погрешностей измерений.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является компенсация влияния на коэффициент деления емкости делителя на землю и уравнивание коэффициентов деления на постоянном и переменном напряжениях.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что с целью уравнивания коэффициентов деления на постоянном и переменном напряжениях предлагается емкость С₃ в выносном блоке составлять из двух параллельно соединенных емкостей, т.е. С₃=С₃₀+ С₃, причем С₃₀ имеет постоянное значение, а С₃ является регулируемой емкостью.

Значение С₃₀ и максимальное значение С_3mах таковы, что в низковольтном плече обеспечивается равенство

С₂ С₃=С₃₀+ С_3mах. (5)

На фиг.2 приведена электрическая схема выносного блока, в котором реализовано это предложение.

Делитель напряжения с выносным блоком, состоящим из двух элементов С₃₀ и С₃, позволяет осуществить подстройку коэффициента деления на переменном напряжении К_д(C) до значения, равного коэффициенту деления на постоянном напряжении K_д(R) , тем самым компенсируя негативное влияние емкости высоковольтного плеча на землю.

С целью облегчения процесса подстройки коэффициента деления регулируемую часть емкости С₃ выносного блока целесообразно выполнить в виде суммы емкостных элементов С_3-i, дискретные значения емкостей которых отличаются друг от друга по двоичной системе. Например, при необходимости выполнить подстройку коэффициента деления с заданной погрешностью ±0,25% подбор емкостных элементов может быть следующим:

С_3-1=0,005С_нп; С_3-2=0,01С_нп; С_3-3=0,02С_нп;

С_3-4=0,04С_нп; С_3-5=0,08С_нп; С_3-6=0,16С_нп,

где С_нп - расчетное значение емкости низковольтного плеча.

В этом случае подстройка осуществляется в диапазоне от 0,5% до 31,5% К_ном и этого вполне достаточно для подстройки коэффициента деления практически при любом отклонении от К_ном. Учитывая соотношение (5), можно отметить, что в этом случае

На фиг.3 приведена электрическая схема делителя, в котором регулировка коэффициента деления осуществляется с помощью таких дискретных подстроечных емкостей С_3-i. При этом каждый выключатель B₁... В₆ на выносном блоке обозначен непосредственно в процентах от емкости низковольтного плеча С_нп, а именно: 0,5%; 1%; 2%; 4%; 8%; 16%.

Процесс настройки коэффициента деления делителя производится после окончательного выбора места расположения делителя среди остальных объектов высоковольтной схемы испытаний следующим образом:

а) регулируемая емкость устанавливается в максимальном значении С_3mах. В случае применения емкостных элементов с дискретными значениями (см. фиг.3) должны быть подключены все элементы С_3-i (включены все выключатели B₁... В₆);

б) делитель напряжения отсоединяется от испытательной схемы и подсоединяется к источнику калибровочного напряжения U₁ частоты 50 Гц;

в) по команде руководителя настройки производится одновременный отсчет приложенного U ₁ и выходного U₂ напряжения, после чего вычисляется значение отличия коэффициента деления от номинального значения по формуле

г) производится уменьшение значения С₃ на величину, соответствующую произведению

В случае применения емкостных элементов с дискретными значениями (см. фиг.3) отключаются те выключатели, сумма обозначений которых отличается от значения, полученного по формуле (6), на величину, не более ±0,25%. Например, если по формуле (6) получено значение _к=13,7%, отключаются выключатели B₁, В ₂, В₄ и В₅, соответствующие _к=0,5+1+4+8=13,5%, что дает погрешность подстройки - 0,2%;

д) повторяются действия по п. в), при выполнении которых убеждаются, что коэффициент деления на переменном напряжении равен К_ном с погрешностью _к [0,25%].

Литература:

1. Делитель напряжения для испытаний коммутационных высоковольтных аппаратов.

А.С. №391501 - "Бюлл. изобр." 1973, №31. Авторы: Агафонов Г.Е., Болотин И.Б., Лопаев В.Н., Шешин Б.А..

2. Болотин И.Б., Эйдель Л.З. Измерения в переходных режимах короткого замыкания, рис. 3-29; 1, 2 и 3 издания - Л. Энергия, Ленинградское отделение, 1973, 1981, 1988 г.г.