POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA
Laboratorium
miernictwa
wysokonapięciowego
Pomiar wartości skutecznej
wysokiego napięcia
1. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest zaznajomienie się z niektórymi metodami pomiaru wartości skutecznej
wysokiego napięcia za pomocą:
a) woltomierz elektrostatycznego
b) przekładnika napięciowego
2. Wiadomości podstawowe.
W laboratorium wysokich napięć znajdują się różnorodne urządzenia służące do wytwarzania
napięć zmiennych, stałych i udarowych. W trakcie eksploatacji tych urządzeń wynika potrzeba
wyznaczania wartości otrzymywanych napięć. Przyrządom pomiarowym stosowanym w TWN
stawia się szereg wymagań, takich jak: uniwersalność metody pomiarowej (możliwość pomiaru
różnych rodzajów napięć), duża dokładność oraz niski koszt.
2.1. Pomiar napięcia woltomierzem elektrostatycznym.
Woltomierz elektrostatyczny jest przyrządem służącym do pomiaru wartości skutecznych napięć.
Zasada działania woltomierza polega na pomiarze siły działającej pomiędzy dwiema elektrodami,
do których przyłączono mierzone napięcie.
Woltomierze elektrostatyczne można podzielić na:
- absolutne
- techniczne
W woltomierzach absolutnych pomiar polega na bezpośrednim określeniu siły F działającej na
elektrodę ruchomą. Najprostszym przykładem takiego woltomierza jest waga Kelvina (rysunek).
1, 2 – elektroda pomiarowa, 3 – ekran eliminujący zjawiska krawędziowe
Elektrody pomiarowe woltomierzy elektrostatycznych absolutnych są na ogół płaskie, pierścienie
ekranujące pozwalają wykorzystać do celów pomiarowych równomierną część pola. Elektroda
ruchoma wykonuje zazwyczaj tylko nieznaczny ruch i zostaje sprowadzona do położenia
neutralnego .
Siła działająca na organ ruchomy wynosi:
2
0
2
2
0
2
2
K
S
a
U
S
F
stąd
F
U
S – powierzchnia elektrody
a – odległość między elektrodami
Woltomierze absolutne osiągają dużą dokładność (klasa 0,1 – 0,05) lecz ze względu na
skomplikowaną budowę, wymiary i koszt, używane są tylko w szczególnych przypadkach.
Woltomierze elektrostatyczne techniczne – używane w praktyce laboratoryjnej – umożliwiają
bezpośredni odczyt skutecznej wartości mierzonego napięcia. Moment zwrotny jest uzyskiwany
przy pomocy sprężystej taśmy lub spirali. Kąt wychylenia organu ruchomego wynosi:
dx
dC
U
k
2
2
1
k – stała C – pojemność
Z powyższego wzoru wynika, że wychylenie miernika jest proporcjonalne do kwadratu napięcia i
nie zależy od jego znaku. Możliwy jest zatem pomiar wartości skutecznej napięcia przemiennego.
Skala miernika ma przebieg kwadratowy, lecz przez odpowiednie ukształtowanie elektrod możliwe
jest uzyskanie skali zbliżonej do równomiernej (z wyłączeniem części początkowej).
Schemat budowy woltomierza elektrostatycznego.
1,2 – elektrody, 3 – elektroda ruchoma, 4 – taśma sprężysta, 5 – zwierciadło, 6 – tłumik drgań, 7 –
źródło światła, 8 – skala, 9 – izolatory.
W elektrodzie 2 wykonany jest niewielki otwór, w którym umieszczona jest właściwa elektroda
ruchoma 3 w postaci cienkiej blaszki. Elektroda ruchoma połączona jest sztywno z dwoma
tłumikami 6 i zwierciadłem 5. Całość zawieszona jest obrotowo na sprężystej taśmie 4. W stanie
beznapięciowym elektroda ruchoma tylko częściowo przysłania otwór w elektrodzie 2. Pod
wpływem pola elektrostatycznego elektroda 3 obraca się pokonując opór sprężystej tasiemki 4.
Zmianę zakresu mierzonego napięcia uzyskuje się poprzez zmianę odległości elektrod 1 i 2.
Zalety woltomierzy elektrostatycznych w takim wykonaniu to:
- duża dokładność (do 0,5%)
- bardzo duża rezystancja (do 10
13
)
- mała pojemność
- duża niezależność od częstotliwości mierzonego napięcia.
Przyczyną błędów wskazań woltomierzy elektrostatycznych mogą być: ładunek który powstaje w
skutek polaryzacji na powierzchniach dielektryków stanowiących elementy układu, ulot oraz
wyładowanie powierzchniowe.
Woltomierze techniczne budowane są na napięcie do 300 kV. Często znamionowe napięcie pracy
oznacz najwyższą wartość napięcia stałego jaką można zmierzyć. W takim przypadku granicę
mierzonych napięć przemiennych należy obniżyć 2 razy.
2.2. Pomiar napięcia przekładnikiem napięciowym.
Metoda ta jest stosowana do pomiarów mniej dokładnych względnie dla pomiarów przy
niezmiennym obciążeniu przekładnika.
Metoda techniczna polega na ocenie napięcia wysokiego U
1
mierzonego woltomierzem. Napięcie to
pomnożone przez przekładnię znamionową transformatora pomiarowego (przekładnika) daje
wartość U
2
.
1
2
U
U
Powyższy wzór jest słuszne dla przypadku, kiedy obciążenie przekładnika po stronie niskiego
napięcia jest stałe.
W przypadku zmiennego obciążenia szczególnie indukcyjnego lub pojemnościowego, napięcie
określone metodą techniczną może być obarczone nawet znacznym błędem. Przy obciążeniu
pojemnościowym błąd jest ujemny a przy obciążeniu indukcyjnym dodatni. Przekładnik
napięciowy, przyłączony do mierzonego napięcia, mierzy rzeczywiste napięcie występujące na jego
zaciskach wysokonapięciowych.
Ponieważ przekładnik napięciowy obciążony jest po stronie niskiego napięcia jedynie przez
woltomierz, można przyjąć, że przekładnia transformatora jest stała i równa przekładni zwojowej.
2
1
2
1
z
z
U
U
Założenie takie obarczone jest pewnym błędem spowodowanym uchybem napięciowym i uchybem
kątowym. Uchyby te wywołane są istnieniem prądu magnesującego, strumieniem rozproszenia oraz
stratami w rdzeniu i uzwojeniach przekładnika.
Zależność uchybów przekładnika napięciowego od napięcia pierwotnego przedstawia wykres.
Niedogodnością stosowania przekładników napięciowych jest dodatkowe obciążenie transformatora
probierczego zasilającego obwód pomiarowy oraz wysoki koszt przekładnika.
3. Układ pomiarowy.
W
1
– wyłącznik sieciowy
L
k
– lampka kontrolna
TR – transformator regulacyjny
V – woltomierz
W
2
– wyłącznik transformator W.N.
TWN – transformator W.N.
R
0
– rezystor ochronny
VE – woltomierz elektrostatyczny
PN1 – przekładnik napięciowy 30kV/100V
PN2 – przekładnik napięciowy 60kV/100V
V
2
– woltomierz
V
3
– woltomierz
4. Zadanie
4.1. Wyznaczyć przekładnię transformatora kolejno przy użyciu podanych układów pomiarowych
dla:
VE – do 60kV
PN1 – do 30kV
PN2 – do 60kV
4.2. Wykonać wykresy dla wszystkich metod na wspólnym rysunku dla U
1
=f(U
2
) oraz =f(U
1
)
4.3. Wyznaczyć błędy pomiarowe
U
PN
przekładnika napięciowego przy napięciu wyższym i
niższym od napięcia pomiarowego przekładnika.
5. Sposób przeprowadzania pomiarów.
5.1. Wyznaczanie przekładni transformatora.
Do transformatora probierczego przyłączyć kolejno VE, PN30, PN60 mierząc napięcie po
stronie niskiej transformatora probierczego oraz po stronie wysokiej.
Wyniki zestawić w tabeli 1.
Tabela 1.
Lp
Metoda
pomiarowa
U
1
Woltomierz
elektrost.
Przekładnik
PN1 – 30kV/100V
Przekładnik
PN2 – 60kV/100V
U
2
U
1
U
2
U
1
U
2
V
kV
V
-
kV
V
-
kV
5.2. Wyznaczanie błędu pomiarowego U
PN
przekładnika napięciowego przy napięciu wyższym i
niższym od napięcia pomiarowego przekładnika.
Pomiar błędu przekładnika napięciowego dokonać przy trzech wartościach napięcia 24, 30 i 36
kV.
(Klasa pomiaru przekładnikiem energetycznym zagwarantowana jest w zakresie napięć 0,8 –
1,2 U
N
).
Przy napięciu 24kV określa się błąd U
PN60
przekładnika PN2 (zakres pomiarowy 48-72kV),
jako wzorcowy traktowany jest przekładnik 30kV PN1 (zakres pomiarowy 24-36 kV).
Analogicznie należy postąpić w przypadku 30 i 36 kV.
Wyniki należy zestawić w tabeli 2.
%
100
30
30
60
60
PN
PN
PN
PN
U
U
U
U
Tabela 2.
U
’
PN30
30
U
’
PN30
U
’
PN30
30
U
’
PN30
U
’
PN30
Uwagi
V
-
kV
V
-
kV
%
-
24
30
36
6. Wnioski z pomiarów.