Средства измерения высоких электрических напряжений (киловольтметры, высоковольтные делители и пр.)

[Некролог 139]

Когда хочется измерить высокое электрическое напряжение, на ум приходят слова: "шаровой разрядник", "киловольтметр" и "высоковольтный делитель". Пройдёмся по ним.

Шаровые разрядники. Можно измерять напряжения от единиц киловольт до единиц мегавольт. Использование шаровых разрядников описано, в частности, в ГОСТ 17512-82 "Электрооборудование и электроустановки на напряжение 3 кВ и выше. Методы измерения при испытаниях высоким напряжением", где приведены необходимые для работы с ними сведения.

Преимущества:

1. Дешевизна.

2. Малые габариты и вес.

3. Отсутствие необходимости в калибровке, из "исходных эталонов" - только линейка.

Недостатки:

1. Погрешность составляет ±5%, а иногда и выше, что ограничивает область применения почти исключительно испытаниями.

2. Это не измерительные приборы, а испытательное оборудование.

3. Определять можно только амплитудные напряжения, т.е. имеем зависимость результата измерения, например, среднеквадратического напряжения от спектра этого напряжения. С другой стороны, это не столь уж серьёзный недостаток, т.к. при высоковольтных испытаниях как раз амплитуда - один из важнейших факторов.

4. Повышенная зависимость от "атмосферических явлений", требующая введения поправок на давление и температуру.

Электростатические киловольтметры. Можно измерять напряжения от единиц до сотен киловольт.

Преимущества:

1. Высокое внутреннее сопротивление, как реактивное (емкостное), так и особенно активное. Когда нужно измерять напряжение от источника с крайне высоким внутренним сопротивлением, это важно. Впрочем, случай это редкий.

2. Измерение истинного среднеквадратического напряжения независимо от формы в широчайшем диапазоне частот. В частности, это позволяет поверять эти приборы либо только на постоянном, либо только на переменном напряжении, а пользоваться ими для измерений и того, и другого (хотя погрешность компарирования переменного и постоянного напряжений есть, именно она в основном "сгрызла" у С96 класса 1,5 пол-процента точности по сравнению с более новым С196 класса 1,0). Также это обстоятельство очень существенно, если надо измерить высокое напряжение высокой (выше примерно килогерца) частоты. Хотя это случай тоже редкий.

Недостатки:

1. Большие габариты и вес.

2. Малая диапазонность. Электростатические силы пропорциональны квадрату напряжённости поля, что обусловливает большую неравномерность шкал и малый их охват.

3. Невысокая точность, особенно при напряжениях выше 3 кВ. Погрешность нормируется как приведённая к концу (под)диапазона.

4. Невозможность определения отдельно постоянной и переменной составляющих напряжения, амплитуды напряжения. На практике это выливается в необходимость для определения амплитуды выпрямленного напряжения ставить здоровенный конденсатор фильтра.

Киловольтметры С502 выпускаются на напряжения (1; 2; 3) кВ (это не диапазоны одного прибора: каждое напряжение - отдельный прибор) с приведённой погрешностью ±0,5% - ещё более-менее. Киловольтметры С196, С197 позволяют измерять напряжение на пределах (7,5; 15; 30) кВ с приведённой погрешностью ±1%, что означает, что, например, напряжение 15,1 кВ будет измерено с ПГ ±2%. Для не то что поверки, но и аттестации оборудования для высоковольтных испытаний - это плохо, запас точности иногда опускается до 2 раз. Киловольтметр С100 позволяет измерять напряжение на пределах (25; 50; 75) кВ с приведённой погрешностью ±1,5% - это ещё хуже. Веса и габариты у этих приборов соответствующие их "важности" - последний можно только вдвоём переносить.

Спектральные киловольтметры. Можно измерять напряжения от единиц до сотен киловольт. Какой из электрооптических эффектов применяется в их конструкции - я не знаю, т.к. с ними практически не работал и не знакомился, а в Интернете информации по этой теме мало. То ли Керра, то ли Поккельса, в описаниях типа вообще сказано, что используется "делитель"... Суть в том, что в этом приборе оптическим способом получают электрический сигнал, пропорциональный мгновенным значениям электрического напряжения, и измеряют его встроенным вольтметром.

Преимущества:

1. Малые габариты и масса.

2. Высокое внутреннее сопротивление, как реактивное (емкостное), так и особенно активное. Когда нужно измерять напряжение от источника с крайне высоким внутренним сопротивлением, это важно. Впрочем, случай это редкий.

3. Нетребовательность к месту установки - искажения поля от окружающих предметов почти не влияют на результат измерения.

4. Возможность измерения всех параметров напряжения (среднеквадратического, среднего, амплитудного и т.п., хотя в конкретных конструкциях все эти возможности могут не использоваться) независимо от формы в довольно широком диапазоне частот. В частности, это позволяет поверять эти приборы (во всяком случае, их электрооптическую часть) либо только на постоянном, либо только на переменном напряжении, а пользоваться ими для измерений и того, и другого - хотя, например, у КВЦ-120 этой возможностью при составлении методики поверки не воспользовались.

Недостатки:

1. Нормирование погрешности со значительной аддитивной составляющей, что сильно ограничивает практический диапазон этих вольметров. Как правило, диапазон у них один-единственный - 100 (СКВ-100) или 120 кВ (КВЦ-120), а погрешность ±(0,25-1)%, но даже ±(0,2%*Х+0,05%*Хкон) (у КВЦ-120 класса 0,25) в точке 10 кВ даст относительную ПГ ±0,8%, в точке 5 кВ - ±1,4%, а это уже "не фонтан". Для СКВ-100 с приведённой ПГ 0,5% в тех же точках имеем ±5% и ±10% (при их проектировании, по-моему, то ли маразм зашкаливал, то ли эффективные менеджеры разработчиков подгоняли немилосердно, так что делали его "на отвяжись").

Трансформаторы напряжения (электромагнитные).

Достоинства:

1. Сравнительно высокая точность, погрешность, как правило, ±(0,05-0,5)%.

2. Высокая стабильность и соответственно межповерочный интервал (от 4 до 8 лет).

Недостатки:

1. Большие габариты и вес. В одиночку, если речь о напряжении выше 10 кВ, вряд ли унесёте.

2. Работа только на переменном напряжении.

3. Сравнительно узкий диапазон нормируемых напряжений. ПГ измерительных трансформаторов, предназначенных для учёта электроэнергии, нормирована при напряжениях от 80% до 120% номинала, а лабораторных - от 20% до 120% номинала.

Делители напряжения (резистивные, емкостные и комбинированные). Можно измерять напряжения от единиц до сотен киловольт.

Достоинства:

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

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

3. Для измерения только постоянного, только переменного и 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. (хотя есть исключения, в некоторых комбинированных ДН погрешность измерения постоянного напряжения не нормирована).

Недостатки:

1. Конструкции высокоточных делителей зачастую получаются сравнительно хрупкими. Трещина в высокоомном высоковольтном плече делителя имеет серьёзные последствия для погрешности - рабочие токи-то малые. Усугубляется это тем, что нередко в них используется элегаз, что означает необходимость контроля давления и подзарядки раз в несколько лет, особенно при небрежном обращении. Впрочем, современные технологии позволяют изготавливать монолитные конструкции, с которыми по "дубовости" сравнятся разве что трансформаторы напряжения - и то, если бы делителям добавили "брони" до такого же веса, как у трансформаторов, неизвестно, кто оказался бы нежнее...

Трансформаторы напряжения (емкостные). По сути, это емкостной делитель напряжения, скажем, 330/15 кВ, нагруженный на электромагнитный трансформатор напряжения 15000/57,7 В с повышенной индуктивностью рассеяния. Эта индуктивность образует с выходным импедансом емкостного делителя напряжения последовательный колебательный контур, сопротивление которого на рабочей частоте близко к нулю, благодаря чему выходное сопротивление цепи 57,7 В оказывается низким, а нагрузочная способность трансформатора - высокой. Это "дешёвая альтернатива" чисто электромагнитным трансформаторам напряжения при напряжениях 220 кВ и выше, когда электромагнитные трансформаторы получаются большие, тяжёлые и не очень точные, хотя и высокостабильные. Основной недостаток емкостных ТН вытекает из их принципа действия: они хороши исключительно на рабочей частоте 50 или 60 Гц ± доли герца, даже о второй гармонике не может быть и речи.

А теперь чисто практический вопрос. Кто имел дело с делителями напряжения ДН-50э (1-50 кВ, ±0,5%, комбинированный, т.е. переменный/постоянный ток)? Как они, оправдывают себя? Планируем приобрести, а отзывов нету.

И вообще, кто что использует и может посоветовать для измерений напряжений 1-50, а ещё лучше 1-70 кВ? Мы применяем электростатические киловольтметры, но хотим от них всех уйти, плохие они, тяжёлые и трудные.

[Дедюхин А.А. 359]

А теперь чисто практический вопрос. Кто имел дело с делителями напряжения ДН-50э (1-50 кВ, ±0,5%, комбинированный, т.е. переменный/постоянный ток)? Как они, оправдывают себя? Планируем приобрести, а отзывов нету.

И вообще, кто что использует и может посоветовать для измерений напряжений 1-50, а ещё лучше 1-70 кВ? Мы применяем электростатические киловольтметры, но хотим от них всех уйти, плохие они, тяжёлые и трудные.

теоретически вещь хорошая, но пробленма может возникнуть в абсолютно другом месте - какое у него входное сопротивление? Данных быстро найти не удалось. Многие высоковольтные устройства имеют очень большое выходное сопротивление и такие делители банально сажают выход уменьшая выходное напряжение и искажая результат измерения напряжения....

в то время когда при подключеии делителей к ЛЭП проблемм не возникает

[Некролог 139]

какое у него входное сопротивление? Данных быстро найти не удалось. Многие высоковольтные устройства имеют очень большое выходное сопротивление и такие делители банально сажают выход уменьшая выходное напряжение и искажая результат измерения напряжения...

Есть такое.

На постоянном токе можно не беспокоиться - у таких (на 50 кВ) делителей сопротивление не бывает заметно ниже 500 МОм, а выходное сопротивление даже маломощных, на 2 кВт, источников на таком напряжении можно посчитать: квадрат от 50000 В разделить на 2 кВт, умноженные на 10 (потому что внутреннее падение напряжения источника в рабочем режиме редко превышает 10%), получаем 125 кОм, т.е. ошибка составит 0,025%. Даже с поправкой на коэффициент заполнения импульсов тока заряда выходной ёмкости, погрешность ну никак не превысит 0,5%.

На переменном токе картина сложнее.

1. Сразу можно исключить из "опасных" те средства измерений и испытаний, где высокое напряжение измеряется специальным делителем/трансформатором и т.п. непосредственно на выходном электроде. Ошибка может возникать только там, где выходное напряжение оценивается по напряжению на первичной обмотке повышающего трансформатора. Впрочем, это значительное число испытательного оборудования (например, аппарат АИИ-70).

2. При присоединении делителя к этому значительному числу индуктивная составляющая выходного сопротивления будет повышать напряжение, а активная - практически не скажется (до определённого уровня), т.к. падение напряжения на активной составляющей будет векторно-перпендикулярно падению на емкостном импедансе делителя, а общее падение (= напряжению холостого хода), т.е. гипотенуза прямоугольного треугольника, окажется почти сонаправлено падению на делителе (бОльшему катету), т.е. практически равным ему по амплитуде.

3. С индуктивной составляющей случая (2) есть интересный нюанс: если напряжение на контрольный прибор снимается не с (части) первичной обмотки повышающего трансформатора, а с части его вторичной обмотки (так делают как раз для повышения точности контроля напряжения, например, если мне не изменил склероз, в аппаратах АИД-70), индуктивная составляющая тоже почти не внесёт погрешности, т.к. взаимоиндукция приведёт к росту напряжения на контрольном приборе в практически такой же мере, что и на всей вторичной обмотке.

4. В конце концов, испытательное оборудование создаётся для того, чтобы что-то испытывать, и это что-то обладает немаленькой ёмкостью. Главное - её не превысить делителем.

Входную ёмкость ДН-50э я не знаю (кстати, спасибо за напоминание, будем на след. неделе туда звонить, спросим и про это - и, возможно, обойдёмся ДН-50 того же производителя, с ПГ ±1%, он отчего-то сильно потоньше), но у его менее точного аналога ДН-50ЕО (ПГ ±1%, другой производитель) она равна 1000 пФ, что даёт нам реактивное сопротивление 3,1 МОм. Полагая, что выходное сопротивление на треть индуктивное, получим 42к/3,1М = 1,3%, что уже существенно, правда Ваша. Но это только в худшем случае.