ЛБ3 Калибр. электростат

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа энергетики

Отделение электроэнергетики и электротехники

Направление − 13.04.02 Электроэнергетика и электротехника

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №3

КАЛИБРОВКА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ВОЛЬТМЕТРА С ПОМОЩЬЮ ШАРОВОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО РАЗРЯДНИКА

Выполнили:		Абдуллаев Б.С.
студент группы: 5АМ09	(подпись, дата)	(Ф.И.О)
		Колобылин Е.С.
	(подпись, дата)	(Ф.И.О)
		Пидчаша К.А.
	(подпись, дата)	(Ф.И.О)
		Шикхеримов М.Ю.
	(подпись, дата)	(Ф.И.О)

Проверил:		Юшков Анатолий Юрьевич
к.т.н., доцент (ОЭЭ, ИШЭ):	(подпись, дата)	(Ф.И.О)

Томск – 2020

Цель работы: ознакомиться с методами и устройствами для измерения высоких напряжений.

Калибровка киловольтметра на переменном напряжении

Электрическая схема установки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема калибровки киловольтметра типа С-100 на переменном напряжении: РН – регулятор напряжения; ТВ – трансформатор высоковольтный, Rзащ – защитный резистор; ШР – шаровой разрядник; кВ – киловольтметр

Экспериментальные данные:

Результаты измерений напряжения в зависимости от увеличения расстояния между шаровыми измерительными разрядниками от 5мм до 25мм представлены в таблице 1.

S – расстояние между шаровыми разрядниками;

U – напряжение пробоя;

Uср – среднее напряжение;

Uтаб – табличные данные напряжения;

Uист – истинное напряжение, рассчитанное с учетом поправочного коэффициента.

Таблица 1 – Результаты измерений на переменном напряжении

S, см	U*1.41,кВ			U ср, кВ		Uтаб, кВ		Uист, кВ
	U1	U2	U3
0,5	15	13	13		19,2		17,4		17,21
1	25	28	27		37,6		32		31,65
1,5	36	37	35		50,9		45,5		44,99
2	43	45	44		62,2		57,5		56,87
2,5	53	54	52		74,9		69		68,24

Примеры расчета для величин Uср и Uист при S=5 мм

К – поправочный коэффициент;

Рисунок 2 – Градировочные кривые зависимости истинного напряжения от показаний киловольтметра

Калибровка киловольтметра на постоянном напряжении

Электрическая схема установки представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема калибровки киловольтметра типа С-100 на постоянном напряжении: РН – регулятор напряжения; ТВ – трансформатор высоковольтный; Rзащ –защитный резистор; V1, V2 –вентили; C – конденсатор; ШР – шаровой разрядник; кВ – киловольтметр

Экспериментальные данные:

Результаты измерений расстояний между шаровыми разрядниками при увеличении значения пробивного напряжения представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты измерений на постоянном напряжении

U,кВ	S, см			S ср,см		U таб, кВ		U ист, кВ
	S1	S2	S3
20	0,7	0,6	0,5		0,6		20,4		20,6
30	1	1,1	1,2		1,1		37,6		37,9
40	1,3	1,5	1,4		1,4		42,9		43,3
50	1,8	1,7	1,9		1,8		53,0		53,5
60	2,3	2,1	2,2		2,2		61,5		62,1
70	2,6	2,7	2,8		2,7		72,5		73,2

S – расстояние между шаровыми разрядниками;

U – напряжение пробоя;

Sср – среднее расстояние между шаровыми разрядниками;

Uтаб – табличные данные напряжения;

Uист – истинное напряжение, рассчитанное с учетом поправочного коэффициента.

Примеры расчета для величин Sср и Uист при U=20 kB

Руководствуясь методическими указаниями выбираем из таблицы напряжение наиболее близкое, значению полученному в ходе эксперимента.

К – поправочный коэффициент;

Рисунок 4 – Градировочные кривые зависимости истинного напряжения от показаний киловольтметра

Вывод: в процессе работы были исследованы методы и устройства измерений высоких напряжений. Получили знания о принципах работы таких устройств как: шаровые измерительные разрядники, электростатические киловольтметры и делители напряжений в сочетании с низковольтными регистрирующими и измерительными приборами. Провели два опыта по калибровке киловольтметра на постоянном и переменном напряжении. Погрешность табличных и опытных значений обусловлена условиями окружающей среды (температуры воздуха и атмосферного давления), а также не идеальным оборудованием, которое вызывает некоторое отклонение результатов от идеала.

Ответы на контрольные вопросы:

1. Какой принцип лежит в основе работы электростатического вольтметра?

Для прямого измерения высокого напряжения применяют электростатические вольтметры. Принцип измерения напряжения электростатическим вольтметром основан на измерении сил, возникающих между заряженными электродами.

Рисунок 5 – Схема устройства электростатического киловольтметра: 1 – высоковольтный электрод; 2 – заземленный электрод-экран; 3 – подвижный электрод; ИС – источник света

Между пластинами 1 и 2, образующими плоский конденсатор, под воздействием приложенного к ним напряжения возникает сила электростатического взаимодействия, стремящаяся сблизить их. В отверстии одной из пластин устанавливается дополнительная подвижная пластина 3, на также действует электростатическая сила, пропорциональная площади пластины 3. Перемещение подвижной пластины 3 уравновешивается механической силой системы ее крепления. Система крепления подвижного электрода позволяет измерить силу, которая пропорциональна действующему значению напряжения, при помощи специального оптического устройства, регистрирующего отклонение подвижного электрода от положения равновесия.

2. Какой принцип лежит в основе измерения высокого напряжения с помощью шарового разрядника?

Измерение высокого напряжения шаровыми разрядниками основано на использовании зависимости значения пробивного напряжения воздушного промежутка между электродами от расстояния между ними. Для измеренияследует использовать промежутки с однородным или слабонеоднородным полем, в которых значение напряжения возникновения условия самостоятельного разряда и напряжения искрового пробояблизки и имеют линейную зависимость от расстояния.

3. Какой принцип лежит в основе измерения высокого напряжения спомощью делителя напряжения?

ДН – это измерительное устройство, состоящее из цепочки последовательно соединенных элементов, имеющих активное или реактивное сопротивление. Один конец измерительной цепочки заземляется, а на другой подается измеряемое напряжение. Делитель напряжения содержит низковольтное плечо, к которому присоединяется измерительный прибор, и высоковольтное плечо, которое с одной стороны присоединяется к объекту, а с другой стороны – к низковольтному плечу.

- Принцип падения напряжения на последовательно соединенных резисторах. Выходное (низкое) напряжение снимают с низковольтного плеча и умножают на коэффициент пропорциональности:

где,

R1 - сопротивление высоковольтного плеча;

R2 - сопротивление низковольтного плеча.

Изменяя соотношение между величинами сопротивлений R1 и R2, на выходе делителя можно получить любое значение напряжения, но не более входного.

4. Какие виды напряжений можно измерить электростатическим киловольтметром?

Электростатические киловольтметры имеют относительно малую погрешность ± (1,0 ÷ 1,5)%, небольшую входную емкость порядка 18 пФ и позволяютизмерять постоянное и переменное напряжения с частотой от 45 до 500 000 Гц

5. Какие значения напряжения (среднее, действующее, мгновенное, амплитудное) можно измерить перечисленными измерительными устройствами?

Электростатический вольтметр: среднее

Шаровой разрядник: амплитудное

Делителя напряжения: все перечисленные при использовании комбинированного ДН.

6. Какие требования предъявляются к делителям напряжений при измерении высокого постоянного напряжения?

- Полное сопротивление делителя должно быть, таким чтобы ток, протекающий через делитель находился в пределах от десятков до 1-2 мА

- Используется омический делитель напряжения

7. Какие требования предъявляются к делителям напряжений при измерении высокого переменного напряжения?

- Точное повторение формы высокого напряжения на низковольтном выходе.

- Выполнение изоляции таким образом, чтобы отсутствовали частичные разряды, искажающие форму кривой измеряемого напряжения.

- Используются емкостные делители напряжения, так как на высоких частота в омических ДН возрастает влияние паразитных емкостей.

8. Какие требования предъявляются к делителям напряжений при измерении высокого импульсного напряжения?

- Точное повторение формы высокого напряжения на низковольтном выходе

- Выполнение изоляции таким образом, чтобы отсутствовали частичные разряды, искажающие форму кривой измеряемого напряжения.

9. Какие требования предъявляются к шаровым разрядникам при измерении высокого напряжения?

- Расстояние между шарами не должно превышать S меньше либо равно 0,5 D, где D – диаметр шаров. Следовательно, для широкого диапазона измеряемых напряжений нужен набор шаров разного диаметра.

- Поверхность шаров должна быть гладкой и чистой, слой пыли снижает пробивное напряжение.

- Расстояние от шаров до заземленных или находящихся под напряжением предметов должно быть не менее L больше 5D.

- Для получения стабильных результатов измерений необходимо облучение разрядного промежутка ультрафиолетовым излучением или радиоактивными изотопами, особенно при малых расстояниях между шарами.

- Измерение следует производить 4-5 раз и за измеренную величину принимать среднее арифметическое значение, т. к. имеет место статистический разброс пробивных напряжений.

10. Каковы преимущества измерения высокого напряжения с помощьюшарового измерительного разрядника по сравнению с делителем напряжения?

- Шаровой разрядник не требует калибровки.

- Дешевизна

11. Какие преимущества измерения высокого напряжения делителемнапряжения по сравнению с электростатическим вольтметром?

- Диапазон погрешностей очень велик и охватывает потребности подавляющего числа метрологов, как правило, ±(0,1-1)%.

- Диапазон нормируемых напряжений широк, отношение наибольшего напряжения к наименьшему нередко достигает 10-100.

- Для измерения только постоянного, только переменного и того, и другого применяют соответственно резистивные, емкостные и комбинированные ДН. В комбинированных ДН конденсаторы и резисторы "помогают" друг другу: конденсаторы защищают резисторы от повреждения при пробоях, а резисторы выравнивают постоянную составляющую напряжения на конденсаторах. Соответственно комбинированными ДН можно легко измерить все виды напряжений: амплитудное, среднеквадратическое, среднее и т.п.

12. Какие преимущества измерения высокого напряжения электростатическим вольтметром по сравнению с шаровым измерительным разрядником?

Преимущество заключается в том, что измеряется истинное среднеквадратическое напряжение независимо от формы в широчайшем диапазоне частот. Также это обстоятельство очень существенно, если надо измерить высокое напряжение высокой (выше примерно килогерца) частоты.