TECHNIKA VYSOKÝCH NAPĚŤÍ Měření vysokých napětí a velkých proudů
Vysokonapěťová měření Měření vysokých napětí (high voltage measurement) vyžaduje speciální techniky, jejichž nároky rostou s amplitudou měřených napětí (jednotky kv až jednotky MV) Měření vysokých napětí: Střídavých Stejnosměrných Impulzních Přechodových dějů (transients) (monitoring) Měření vysokých napětí ve vn laboratořích nebo v provozní praxi vyžadují různé přístupy
Měřicí kulová jiskřiště (sphere gaps) Klasická metoda pro měření vrcholové hodnoty střídavých, stejnosměrných a impulzních napětí Jednoduchá a spolehlivá zařízení, která se využívají zejména jako kalibrační měřidla s omezenou přesností (limited accuracy) Skládá se ze dvou identických kulových elektrod oddělených mezerou se vzduchovou izolací Nedávají nám přímo měřenou hodnotu tu stanovíme na základě vzdálenosti (distance) elektrod při přeskoku (flashover) s ohledem na atmosférické podmínky (atmospheric conditions)
Měřicí kulová jiskřiště
Korekce na atmosférické podmínky Referenční podmínky t 0 =20 C, p 0 =101,3 kpa, v a =8,5 g/m 3 Hustota vzduchu (air density) δ = p p 0 273 + t 0 273 + t Vrcholová hodnota měřeného napětí U = U N δ v rozsahu 0,95 < δ < 1,05 Korekce na vlhkost (humidity correction) k v = 1 + 0,002 v δ 8,5
Elektrostatický voltmetr Přímé měření vysokých potenciálů typicky od stovek voltů po stovky kv Měří střídavé i stejnosměrné napětí Vykazují velký vnitřní odpor (internal resistance) Vysoký horní limit frekvence měřeného napětí, několik MHz (omezeno seriovou rezonancí indukčnosti obvodu a kapacitou měřicího systému) Jako izolační plyn (insulation gas) se nejčastěji užívá vzduch, pro vyšší napětí lze využít plyn SF 6 (do 1MV, přesnost 0.1%). Přesnost je u speciálních konstrukcí do 1% pro běžné aplikace do 2%
Elektrostatický voltmetr Silové působení na volnou elektrodu Hustota energie (energy density) w e = 1 2 εe2 Energie v elementu dx dw = w e Sdx = 1 2 εse2 dx Síla působící na volnou elektrodu (acting forse on free elect.) F = dw dx = 1 2 εse2 = 1 U2 εs 2 d 2 Střední hodnota síly pro časově proměnné napětí T T 1 εs F t dt = T 2d 2 U 2 t = εs 2 T 2d 2 U RMS 0 0
Vrcholový voltmetr (Chubb-Fortescue method) Jednoduchá a přesná metoda měření vrcholové hodnoty střídavého napětí
Vrcholový voltmetr (Chubb-Fortescue method) Proud kondenzátorem C: i C = C du dt Střední hodnota měřeného proudu: I = 1 T t 1 t 2 i C dt = C T u t 2 u t 1 = C T U pp Vrcholová hodnota měřeného napětí: U m = I 2Cf
Děliče napětí (voltage dividers) Mohou se skládat z kombinace pasivních prvků (odpor, kapacita, indukčnost) Rozměry děliče jsou úměrné maximálnímu aplikovanému napětí (applied voltage) Dělící poměr (divider ratio): U 2 U 1 = Z 2 Z 1 + Z 2 Odporový dělič Kapacitní dělič U 2 = R 2 U 1 R 1 +R 2 U 2 = C 1 U 1 C 1 +C 2 U 1 Z 1 Z 2 U 2
Odporový dělič Měření stejnosměrných, střídavých a impulzních napětí Velikost chyby je funkcí součinu kapacity vn a odporu děliče OSC
Kapacitní dělič Měření střídavých a impulzních napětí Jednodušší a reprodukuje věrněji než odporový dělič OSC
Kompenzovaný odporový dělič Při rychlých jevech (fast transients) se chová jako kapacitní, při pomalých jako odporový dělič Frekvenční nezávislost (kompenzace) (frequency independent) Z 1 = R 1 1 + jωc 1 R 1 Z 2 = R 2 1 + jωc 2 R 2 U 2 ωc 1 R 1 jr 2 = U 1 ωr 1 R 2 C 1 + C 2 j(r 1 + R 2 ) Im U 2 ωr 1 R 2 C 1 R 1 C 2 R 2 = U 1 R 1 + R 2 2 + ω 2 R 2 2 1 R 2 C 1 + C 2 = 0 2 C 1 R 1 = C 2 R 2
Kompenzovaný RC dělič Útlum kombinovaného děliče pro různé kapacity C 2, dělič je plně kompenzován pro C 2 =100pF Útlum kombinovaného děliče s parazitní indukčností 1 mh
Měřicí transformátor napětí (Instrument voltage transformer) Jednofázové transformátory V elektrizační soustavě plní funkci měřicí (informativní, fakturační) a jistící (vstupy pro elektrické ochrany) Galvanicky oddělují vysokonapěťový obvod od měřicích přístrojů
Měřicí transformátor napětí I 1 R 1 L r1 R 2 L r2 I 2 L r1 U 1 U 2 R Z L h U i Z L r2 Definice chyby napětí ε U = p UU 2 U 1 U 1 100
Měřicí transformátor proudu (Current transformer) I 1 R 1 L r1 R 2 L r2 I 2 I 0 R Z L h U i Z Za podmínky malých chyb MTP platí I 0 << I 1, resp. I 0 << I 2 lze považovat koncové části fázorů I 1 a I 2 za rovnoběžné.
Definice chyby proudu Chyba proudu MTP ε I = p II 2 I 1 I 1 100 Ze zjednodušeného fázorového diagramu ji můžeme vyjádřit jako ε I = N 2I 2 N 1 I 1 N 1 I 1 kde magnetické napětí N 1 I 0 = Hl = fáze lze vyjádřit jako: = N 1 I ε N 1 I 1 = N 1I 0 N 1 I 1 sin (δ + ψ) Bl Bl μ 0 μ r, pak chybu proudu a ε I = sin δ + ψ μ 0 μ r N 1 I 1 Bl φ I tg φ I = cos (δ + ψ) μ 0 μ r N 1 I 1
Odporové bočníky (shunty) Přesný rezistor protékaný měřeným proudem (ss, stř. nebo imp.). Eliminace vlivu skinefektu při vyšších frekvencích - dosahuje se uspořádáním pásků z manganinu do válcové plochy (koaxiální bočník). Nevýhodou je galvanické propojení měřicího systému s měřeným obvodem a tepelné a mechanické namáhání bočníku při měření velkých proudů
Rogowského cívka Měřený proud lze vyjádřit jako: T i t = 1 u t dt M 0 kde M je vzájemná indukčnost mezi vodičem N 1 a snímacím vinutím N RC Pro harmonický průběh proudu: I 1 ω Konstantou RC pak rozumíme: = U i(ω) jωm k RC = U i ωi