|
|
В. В. Титков техника высоких напряжений высоковольтные испытания и измерения учебное пособие
q
s
3. Изложенные в пи действия необходимо проделать с двумя другими заметно отличающимися значениями s, те. при других зарядных напряжениях конденсаторов ГИН.
4. Среднее значение Тп, полученное из трех измерений, следует принять за время передачи измерительной системы, а разброс в значениях — за показатель точности измерения.
При регистрации полного и срезанного импульсов время передачи, согласно ГОСТ 17512—82 и разд. 3.2.3, не должно превышать
100 нс. Требования к отчету
Отчет должен содержать:
а) принципиальную схему установки;
б) результаты определения масштабного коэффициента, времени передачи измерительной системы и коэффициента деления;
в) расшифрованные осциллограммы;
г) выводы по работе. Цепь делитель напряжения — осциллограф. Программа работы. Определить погрешность, вносимую несогласованным кабелем присоединения осциллографа комическому делителю напряжения, при записи срезанного стандартного импульса со временем среза 1 мкс. Подобрать параметры схемы присоединения, обеспечивающие минимальную погрешность измерения срезанного на фронте импульса. Пояснения к работе Источником погрешности записи импульсов напряжения, помимо искажения сигнала в схеме омического делителя напряжения и внешних помех, создаваемых электромагнитным полем высоковольтной установки и импульсами тока в контуре заземления, может быть кабель присоединения осциллографа к делителю напряжения. Длина этого кабеля с учетом габаритов высоковольтной установки может достигать нескольких десятков метров. Если не выполнено условие согласования кабеля с низковольтным плечом делителя или с входным сопротивлением осциллографа, том ногократные отражения волн от концов кабеля вносят искажения в записываемый сигнал. Стандартные значения волновых сопротивлений коаксиальных кабелей определены ГОСТ 11326.0-78 и составляют 50, 75, 100, 150 и 200 Ом. Входное сопротивление импульсного осциллографа находится в пределах от 200 до 100 кОм и без заметной погрешности может считаться бесконечно большим. Входная емкость — 20—100 пФ. Определение погрешности, вносимой несогласованным кабелем присоединения осциллографа комическому делителю напряжения при записи срезанного стандартного импульса со временем среза 1 мкс Определение погрешности, вносимой несогласованным кабелем присоединения осциллографа комическому делителю напряжения, при записи срезанного стандартного импульса осуществляется при помощи программы dn.exe, размещенной в директории C:\LabWin. После запуска программы в окне-заставке необходимо левой клавишей мыши нажать на кнопку Дно. Появится расчетное окно, показанное на рис. 3.5. В этом окне в боксе Скачкообразный поменять на Грозовой . Подвести курсор мыши в окно ввода данных правее R2, нажать левую клавишу мыши и на клавиатуре набрать 4, что соответствует сопротивлению нижнего плеча делителя напряжения учебного ГИН. Аналогично ввести значение сопротивления R = 120. Нажать кнопку управления программой “ОК” . После этого в углубленном окне для вывода кривых появятся кривые напряжения левая (на экране дисплея красная) — импульс напряжения вначале соединительного кабеля и правая (на экране черная) —• импульс напряжения в конце. Для определения погрешности передачи необходимо кончик курсора мыши подвести на красную кривую для времени 1 мкс, нажать левую клавишу мыши, удерживая нажатой, отвести курсор на свободное место в пределах окна построения кривых и отпустить. Аналогичные действия следует выполнить на черной кривой для времени 1,5 мкс, поскольку время пробега по кабелю длиной 10 м длина кабеля учебного ГИ Н ) составляет 0,5 мкс. В качестве примера такие действия представлены на кривых рис. Погрешность передачи А Ц_ U0 ,9 3 -0 ,7 0 0,93 10 0 -2 4 ,7 Заметим, что при вводе R2 программа изменяет сопротивление высоковольтного плеча делителя так, что на его выходе напряжение остается неизменными равным условной единице при заданном значении воздействующего напряжения Е = 1 МВ. Это окно нажатием кнопки “Print” выводят на печать для составления отчета. Далее в боксе Грозовой заменяют на Скачкообразный, нажимают на кнопку Стирание и проводят новый расчет. Внизу под кривыми будет выведено Время реакции на единичный импульс Т = 0,3 мкс. Это время записывают для составления отчета. Такие расчеты следует провести еще для двух значений сопротивлений согласующего резистора — для R = 0 и R = 71 Ом. Полученные значения погрешностей и времен реакции нужно записать для оформления отчета и убедиться, что при согласованном включении кабеля погрешность измерения и время реакции становятся равными нулю Рис Расчетное окно. Подбор параметров схемы присоединения, обеспечивающих минимальную погрешность измерения срезанного на фронте импульса При подборе параметров схемы присоединения, обеспечивающих минимальную погрешность измерения срезанного на фронте импульса, рекомендуется добиться минимальной погрешности, изменяя значения сопротивления R0. Минимальная погрешность соответствует, как установлено в разд. 3.4.3, времени реакции на прямоугольный импульс, равному нулю, поэтому расчеты можно проводить при воздействии прямоугольного импульса, что удобно при оценке результатов расчета. Для этого в расчетном окне (см. рис. 3.5) нужно установить значения сопротивлений R2 = 4 Ом, R = 0 и последовательно провести расчеты для значений RCj, равных 150, 100, 75 и 50 Ом. Когда время реакции на единичный импульс будет равно нулю, провести измерения максимального значения импульса напряжения Umax и определить коэффициент дополнительного деления напряжения по формуле К = 1/С7щах. Коэффициент дополнительного деления К увеличивает коэффициент деления делителя напряжения Кц в К раз те. Кс = К К.Далее, используя аналогичные расчеты, рекомендуется подобрать параметры схемы присоединения кабеля при сопротивлении низковольтного плеча делителя R^ = 150 Ом. Следует рассмотреть два варианта (а затем выбрать один из них и обосновать предпочтение): выбрать новый измерительный кабель с соответствующим волновым сопротивлением; согласовать подключение уже установленного кабеля и определить новое значение коэффициента деления измерительной системы Кс.3.4.5. Требования к отчетуОтчет должен содержать: а) распечатку расчетных окон; б) результаты оценки погрешности измерения срезанного импульса напряжения и коэффициента измерительной системы; в) выводы по работе 3.5. Измерение импульсных высоких напряжений методом осциллографирования3.5.1. Программа работы. Ознакомиться си сп ы тательн ой установкой, записать паспортные данные ГИН, а также используемых в работе делителя напряжения и осциллографа. Измерить габаритные размеры делителя и длину шин подсоединения. Проверить, правильно ли выбраны элементы низковольтного плеча делителя, записать их параметры. Определить расчетный коэффициент деления делителя. Рассчитать масштабный коэффициент т измерительной схемы в целом (делителя и осциллографа. Если параметры делителя отличаются от указанных в задании на предварительную подготовку, пересчитать время нарастания делителя. Настроить ГИН, осциллограф. Записать осциллограммы для определения масштабного коэффициентаделителя и осциллографа. Записать осциллограммы для определения времени реакции
7^ делителя и осциллографа. По результатам расшифровки осциллограмм определить масштабный коэффициент и время реакции делителя и осциллографа, сравнить их с расчетными. Оценить погрешность измерения напряжения с помощью делителя и осциллографа. Пояснения к работеО сц илл ограф и ро ван и е импульсов высокого напряжения производится с использованием делителей напряжения омических, емкостных или смешанных. Сигнал с нижнего плеча делителя на осциллограф подают с помощью коаксиального кабеля с волновым сопротивлением Z = 50-100 Ом. Чтобы не было отраженных волн, на концах кабеля, если это возможно, устанавливают согласующиеся резисторы . Основные характеристики делителя и всей измерительной схемы в целом в установившемся режиме (или при низкой частоте) — коэффициент деления делителя, а в переходном режиме — реакция на прямоугольный импульс. П ри подаче на вход делителя прямоугольного импульса напряжения £/,(/) регистрируемая осциллографом кривая выходного напряжения U2(t) является реакцией измерительной схемы на Ux(t). Если реакцию с учетом коэффициента деления схемы К выразить в относительных единицах, то получим безразмерную функцию g(t) = K U 2(t)/Ul , называемую реакцией на единичный прямоугольный импульс. В зависимости от параметров делителя и схемы присоединения осциллографа реакция на единичный прямоугольный импульс может иметь различный вид (рис. З.б). При экспоненциальном характере зависимости) о временном разрешении измерительной схемы судят повремени нарастания Тн, в течение которого реакция изменяется от 10 до 90 % своего установившегося значения Тк = 2 ,2 т , где т — постоянная времени экспоненты. Колебательный характер) наблюдается в делителях, где элементы схемы слабо демпфированы. В этом случае схему характеризуют временем реакции h + t3 U Рис. 3.6. К определению времени реакции Время реакции Тр на рис. 3.6 равно заштрихованной площади между единичной функцией и кривой Схема замещения делителя может состоять из нескольких контуров с реактивными L- и С-элементами, при этом реакция на прямоугольный импульс будет иметь более сложный вид по сравнению с показанным на рис. 3.6. Оценочный расчет времени нарастания для такой схемы проводят без учета взаимного влияния реактивных элементов и находят его как геометрическую сумму времен нарастания каждого элемента в отдельности:
ТИ = АТ+ Т 2^ . . . + Т 20 , где Тно — время нарастания осциллографа.
Общие требования, предъявляемые к делителям напряжения, заключаются в следующем. Коэффициент деления делителя не должен изменяться в зависимости от амплитуды и полярности измеряемого напряжения и зависеть от внешних электрических полей. При измерении стандартных грозовых и коммутационных импульсов коэффициент деления делителя должен определяться с погрешностью не более
3 %.
2. Время реакции делителя должно иметь малое значение. Так, при регистрации полного и срезанного на спаде грозового импульса оно должно быть не более 0,2 мкс, а при регистрации линейного нарастающего напряжения, имеющего время нарастания tR, не должно превышать д. При регистрации коммутационных импульсов время реакции должно быть не более 5 % длительности нарастания напряжения.
Принципиальная схема омического делителя напряжения показана на рис. 3.7. Высоковольтный резистор R j наматывают из проволоки с большим удельным сопротивлением (нихром,
Рис. 3.7. Схема подключения осциллографа к делителю константан) на каркас из изоляционного материала. Намотка производится так, чтобы индуктивность делителя была минимальной. В отдельных случаях резистор R { может быть изготовлен из мало индуктивных объемных резисторов. Вниз ковольтном плече делителя установлен малоиндуктивный резистор R2. Для наилучшего согласования кабеля, соединяющего делитель с осциллографом, необходимо выполнить условие R2 < Z . Тогда согласующее сопротивление со стороны делителя Z ----- 1 2 J со стороны осциллографа R4 = Z. Резистор i?4 должен стоять на выходе осциллографа или в самом осциллографе. Коэффициент деления схемы для R2 Z (R3 — Рис. 3.8. Расчетная схема и 1R 1 и 2 _R2 + /?4 При анализе искажений, вносимых делителем в запись осциллографируемого импульса, в схеме замещения делителя (рис. 3.8) учитывают индуктивность L шин, соединяющих его с объектом и землей, а также собственную индуктивность и конструктивную емкость высоковольтного плеча делителя относительно земли С. Индуктивность зависит от конструктивного выполнения схемы и для оценочных расчетов может быть принята пропорциональной длине / делителя и шин присоединения L = Lnl, L n — погонная индуктивность, приблизительно равная 106 Гн/м. Емкость Сз распределена по длине делителя, однако в схеме замещения ее учитывают в виде сосредоточенной емкости, равной 2/3 С, подключенной к средней части высоковольтного плеча делителя. Приближенно С можно определить по формуле с 4 л+ 4a h + где г — радиус проводника h — высота делителя а — расстояние от основания делителя до поверхности земли.
Реакция на прямоугольный импульс омического делителя напряжения иллюстрирует рис. 3.6; основной вид искажения — сглаживание фронта. Индуктивность L дает постоянную времени нарастания ха емкость Сдает т =(Л1/2||/?1/2)2/ЗС3 =1/6 Если кабель не согласован, то нижнее плечо делителя дает постоянную времени т = ZCK, где Ск — емкость кабеля. Полное время нарастания может быть найдено по формуле (3.1), где
THi = т ь Ти2 = т, Тн0 определяется из паспорта осциллографа.
Емкостные делители напряжения составляют из малоиндуктив
ных конденсаторов. Рекомендуется брать специальные образцовые измерительные конденсаторы с газовой изоляцией, выполненные в виде коаксиальных цилиндров. Последовательно с высоковольтной емкостью включают конденсатор низкого напряжения большой емкости, сигнал с которого с помощью кабеля подается на осциллограф. Сопротивление резистора утечки выбирается таким, чтобы постоянная времени была на один-два порядка больше длительности измеряемого импульса. Сопротивление демпфирующего резистора выбирается равным 400-800 Ом.
Д ля экспериментального определения времени реакции измерительного устройства на прямоугольный импульс возможно использование срезанных высоковольтных импульсов. Такие импульсы, получаемые от генератора импульсных напряжений, срезают с помощью специального шарового разрядника, помещенного в сосуд со сжатым газом. Время среза определяется временем коммутации разрядника и может составлять менее 10 нс.
Другой метод определения времени реакции делителя и всей измерительной схемы в целом — метод шарового разрядника. Он основан на использовании вольт-секундной характеристики шарового разрядника с шарами диаметром 250 мм и расстоянием между шарами мм для линейно нарастающего напряжения отрицательной полярности. Эта характеристика получена в результате обработки многочисленных измерений, проводившихся в различных лабораториях с применением высококачественных делителей. Задание на предварительную подготовку. Укажите, какие сопротивления необходимо установить в схеме омического делителя напряжения (см. рис. 3.7), если известны следующие его параметры R { = 10 кОм, L = 5 мкГн, высота А = 2 м , расстояние от основания до земли а = 0,25 м, волновое сопротивление кабеля Z = 60 Ом. Измеряемое напряжение U] = 500 кВ напряжение, подаваемое на осциллограф, U2 = 200 В. Длина шин подсоединения делителя к объекту примерном. Для указанного делителя напряжения оцените время реакции Тн. Для отдельных бригад преподаватель может задать другие значения параметров. Рассмотрите условия согласования нижнего плеча емкостного делителя напряжения, если известно, что С — 20 пФ , С = — 0,1 мкФ , индуктивность делителя и подводящих шин L = 2 мкГн, длина кабеля, связывающего делитель с осциллографом, / = 2 м , погонная емкость кабеля 70 пФ м . Рассчитайте масштабный коэффициент указанного делителя. В рамках выполнения данной лабораторной работы экспериментальная установка состоит из генератора импульсных напряжений (см. разд. 2), измерительных шаров диаметром 250 мм, омического (емкостного) делителя напряжения, электронного осциллографа. Градуировку делителя и осциллографа по напряжению можно провести, определив отдельно коэффициент деления делителя К и чувствительность осциллографа. Если чувствительность осциллографа равна от (В/мм) отклонения луча, тона входе делителя этому отклонению соответствует напряжение от = от К где от — масштабный коэффициент схемы делителя и осциллографа в целом. Масштабный коэффициент измерительной схемы можно также определить, подав на делитель стандартный импульс напряжения и измерив его амплитуду шаровым разрядником. Определять масштабный коэффициент следует съемкой серии осциллограмм одинаковых импульсов при такой установке измерительного шарового разрядника, когда примерно 50 % импульсов вызывают его пробой. Для расшифровки используют равное число осциллограмм полных и срезанных импульсов. На каждую осциллограмму наносят кроме кривой исследуемого явления еще и нулевую линию. Масштабный коэффициент (кВ/мм) определяют по формуле m = UTlh T, где £/ — градуировочное напряжение, измеренное шаровым разрядником ; hT — максимальное отклонение луча осциллографа, соответствующее этому напряжению. При измерении напряжения отградуированным делителем амплитудное значение напряжения U — mh, где h — отклонение луча, соответствующее измеряемому напряжению. Если производится статистическая обработка экспериментальных данных см. разд. 1), то относительная погрешность измерения напряжения = J (Д т/т)2 + (д/г / h )2 где А т/т — относительная погрешность определения масштабного коэффициента: Аж /™ = ^ьиг/иг)2+(щ/Ъ)2П огреш ность измерения градуировочного напряжения с помощью шарового разрядника определяется, как указано в разд. 1, погрешность в определении h (hT) примерно равна отношению толщины луча осциллографа к h (Для получения достаточно высокой точности измерения времени реакции делителям етодом шарового разрядника рекомендуется следующая методика
1. Расстояние между шарами первоначально устанавливают равным 70—75 мм и импульсный генератор настраивают так, чтобы он выдавал отрицательный импульс линейно нарастающей формы. Контролируемая часть подъема записанного на осциллограмме напряжения должна составлять не менее 40 % всей линии подъема напряжения перед пробоем промежутка, если только она вся не будет располагаться выше 160 кВ (приближенное значение 50%- ного пробивного напряжения промежутка длиной 60 мм. Три импульса должны быть записаны в условиях п. 1 без ка
ких-либо изменений в схеме генератора или установке разрядника. Скорость нарастания напряжения определяется из каждой осциллограммы как наклон наиболее подходящей прямой линии для контролируемой части осциллограммы. Затем потрем осциллограммам определяют среднее значение S.
3. Промежуток устанавливают равным 60 мм. Записывают три или более осциллограмм пробоя без каких либо изменений в генераторе. Среднее из трех полученных значений пробивных напряжений приводят к нормальным атмосферным условиями определяют А £/, используя при этом измеренное в п. 2 значение крутизны импульса S. Вычисляют время реакции измерительной системы делителя Тр.
4. Процедуру повторяют с двумя другими заметно отличающимися значениями S, чтобы получить три значения Т .
5. Среднее значение Т , полученное из трех измерений, принимают за время передачи системы, а разброс в значениях является показателем точности измерений. Требования к отчету
Отчет должен содержать:
а) принципиальные схемы используемых в работе делителей напряжения и их паспортные данные;
б) расчет коэффициента деления и времени реакции делителя, согласно п. 2;
в) осциллограммы полного и срезанного на вершине импульсов для определения масштабного коэффициента делителя и осциллографа г) осциллограммы для определения времени реакции измерительной схемы (три для промежутка 75 мм и три для промежутка 60 мм при одной скорости нарастания фронта и столько же при другой скорости на одной из осциллограмм дая промежутка
60 мм необходимо сделать построение;
д) результаты расшифровки осциллограмм, согласно пе) оценку погрешности измерений, согласно пи выводы.
Общие требования к оформлению отчетов изложены в [16].
|
|
|
Скачать 6.21 Mb.