Способ определения пробивного потенциала изоляционного промежутка высоковольтного устройства

Способ определения пробивного потенциала изоляционного промежутка высоковольтного устройства

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области электротехники, в частности к энергетическим, технологическим установкам и высоковольтным ускорителям.

Известен способ измерения высокого постоянного напряжения [Техника высоких напряжений. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 555 с., стр.446]. В этом способе измеряют ток, протекающий через добавочное сопротивление, измеряют напряжение с помощью омического делителя высокого напряжения, присоединяют защитный газовый разрядник параллельно измерительному прибору, помещают добавочное сопротивление измерительной схемы в масло для улучшения электрической прочности и теплоотвода, экранируют добавочное сопротивление на концах и по длине, защищают резисторы от импульсных перегрузок. Недостатком этого способа является то, что погрешность нелинейности сопротивления резисторов (в зависимости от приложенного напряжения) в нем не рассматривают и не проводят различия между процессами нелинейности и процессами старения высоковольтных резисторов, утверждение, что погрешности технологии изготовления резисторов, температурных зависимостей и старения резисторов можно полностью исключить в схеме делителя напряжения, не является безусловным.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ измерения высокого напряжения [А. Шваб. Измерения на высоком напряжении. Измерительные приборы и способы измерения. М.: Энергоатомиздат, 1983, - с.262, библ. 885 назв., стр.87-94] с использованием системы элементарных резисторов, включающий размещение указанной системы в изоляционной среде, экранирование системы резисторов по длине и на концах ее и измерение сопротивления элементарного резистора при напряжении свыше 200 B.

Недостатком известного способа является отсутствие учета нелинейности сопротивления при использовании систем элементарных резисторов в виде добавочного сопротивления.

Задачей изобретения является устранение указанного недостатка, а именно, определение нелинейности сопротивления элементарных резисторов в зависимости от напряжения.

Для исключения указанного недостатка в способе определения испытательного напряжения изоляционного промежутка высоковольтного устройства, включающем использование системы элементарных резисторов и определение их сопротивления, предлагается:

- при одинаковых условиях испытаний последовательно проводить испытания исходного и высоковольтного устройств;

- при испытании исходного устройства использовать одинаковые по типу и номинальному сопротивлению элементарные резисторы;

- определять активное сопротивление элементарных резисторов исходного устройства;

- соединять систему элементарных резисторов исходного устройства;

- определять суммарное активное сопротивление указанной системы;

- испытывать исходное устройство в зависимости от характерного параметра;

- при фиксированном характерном параметре испытаний на высоковольтный электрод исходного устройства подавать напряжение, постепенно увеличивать поданное напряжение до получения испытательного напряжения изоляционного промежутка исходного устройства;

- измерять испытательное напряжение и испытательный ток, протекающий в момент испытания изоляционного промежутка исходного устройства через амперметр, присоединенный к системе элементарных резисторов;

- для каждого характерного параметра испытаний исходного устройства определять коэффициент нелинейности по соотношению, учитывающему испытательное напряжение изоляционного промежутка исходного устройства, испытательный ток, протекающий в момент испытания изоляционного промежутка исходного устройства через амперметр, присоединенный к системе элементарных резисторов исходного устройства, и суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов исходного устройства;

- для каждого характерного параметра испытаний определять в исходном устройстве среднее напряжение на элементарном резисторе системы элементарных резисторов;

- по результатам испытания исходного устройства определять калибровочную эмпирическую зависимость коэффициента нелинейности от среднего напряжения на элементарном резисторе системы элементарных резисторов указанного устройства;

- при испытании высоковольтного устройства определять активное сопротивление элементарных резисторов высоковольтного устройства;

- соединять систему элементарных резисторов высоковольтного устройства и определять ее суммарное активное сопротивление;

- подавать напряжение на высоковольтный электрод высоковольтного устройства;

- измерять испытательный ток, протекающий в момент испытания через амперметр, присоединенный к системе элементарных резисторов высоковольтного устройства;

- при фиксированном значении характерного параметра высоковольтного устройства определять среднее напряжение на элементарном резисторе;

- определять коэффициент нелинейности для системы элементарных резисторов высоковольтного устройства по калибровочной эмпирической зависимости;

- определять испытательное напряжение высоковольтного устройства по соотношению, учитывающему коэффициент нелинейности, определяемый по калибровочной эмпирической зависимости для системы элементарных резисторов высоковольтного устройства, испытательный ток, протекающий в момент испытания изоляционного промежутка через амперметр, присоединенный к системе элементарных резисторов высоковольтного устройства, и суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов высоковольтного устройства.

В частных случаях осуществления способа предлагается:

- Под одинаковыми условиями испытаний понимать одинаковую форму напряжения и тип элементарных резисторов, например с проводящей неметаллической спиралью, нанесенной на изоляционную цилиндрическую поверхность в виде композиционных углеродистых или металлостеклянных лаковых пленок.

- В высоковольтном устройстве использовать систему элементарных резисторов в виде одной части из двух или более частей измерительной схемы при одинаковом номинальном сопротивлении указанных резисторов в отдельной части.

- При испытании исходного и высоковольтного устройств определять активное сопротивление каждого элементарного резистора по величине его номинального сопротивления при его наибольшем рабочем напряжении.

- При испытании исходного и (или) высоковольтного устройств измерять активное сопротивление каждого элементарного резистора при напряжении, определяемом по соотношению, учитывающему измерительное напряжение на элементарном резисторе при измерении его активного сопротивления, одинаковую в исходном и высоковольтном устройствах константу и наибольшее рабочее напряжение элементарного резистора.

- При испытании исходного и (или) высоковольтного устройств подавать напряжение на элементарные резисторы, отбирать указанные резисторы со стабильным сопротивлением.

- В исходном и высоковольтном устройствах использовать систему соединенных последовательно или последовательно-параллельно элементарных резисторов.

- В исходном устройстве суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов при их последовательном соединении определять по соотношению, учитывающему суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов исходного устройства, количество последовательно соединенных элементарных резисторов системы элементарных резисторов исходного устройства и активное сопротивление элементарного резистора.

- В высоковольтном устройстве суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов при их последовательном соединении определять по соотношению, учитывающему суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов высоковольтного устройства, количество последовательно соединенных элементарных резисторов системы элементарных резисторов высоковольтного устройства и активное сопротивление элементарного резистора.

- В исходном устройстве суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов при их последовательно-параллельном соединении определять по соотношению, учитывающему суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов исходного устройства при их последовательно-параллельном соединении, количество параллельных ветвей в системе элементарных резисторов исходного устройства, количество элементарных резисторов в одной ветви системы элементарных резисторов исходного устройства и активное сопротивление элементарного резистора.

- В высоковольтном устройстве суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов при их последовательно-параллельном соединении определять по соотношению, учитывающему суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов высоковольтного устройства при их последовательно-параллельном соединении, количество параллельных ветвей в системе элементарных резисторов высоковольтного устройства, количество элементарных резисторов в одной ветви системы элементарных резисторов высоковольтного устройства и активное сопротивление элементарного резистора.

- В исходном и высоковольтном устройствах использовать в качестве характерного параметра испытаний при неизменной длине изоляционного промежутка переменное давление изоляционного газа, а при неизменном давлении изоляционного газа использовать переменную длину изоляционного промежутка.

- В исходном устройстве измерять испытательное напряжение при помощи роторного вольтметра, электростатического вольтметра или измерительного разрядника, например шарового, стержневого, цилиндрического.

- В исходном устройстве среднее напряжение на элементарном резисторе системы элементарных резисторов определять по соотношению, учитывающему среднее напряжение на элементарном резисторе в системе элементарных резисторов исходного устройства, испытательный ток, протекающий в момент испытания изоляционного промежутка через амперметр, присоединенный к системе элементарных резисторов исходного устройства, суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов исходного устройства и количество элементарных последовательно соединенных резисторов в системе элементарных резисторов исходного устройства.

- В исходном устройстве среднее напряжение на элементарном резисторе системы элементарных резисторов определять по соотношению, учитывающему среднее напряжение на элементарном резисторе, испытательное напряжение изоляционного промежутка исходного устройства и количество элементарных последовательно соединенных резисторов в системе элементарных резисторов исходного устройства.

- В высоковольтном устройстве среднее напряжение на элементарном резисторе системы элементарных резисторов определять по соотношению, учитывающему среднее напряжение на элементарном резисторе в системе элементарных резисторов высоковольтного устройства, испытательный ток, протекающий в момент испытания изоляционного промежутка через амперметр, присоединенный к системе элементарных резисторов высоковольтного устройства, суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов высоковольтного устройства и количество элементарных последовательно соединенных резисторов в системе элементарных резисторов высоковольтного устройства.

- В высоковольтном устройстве среднее напряжение на элементарном резисторе системы элементарных резисторов определять по соотношению, учитывающему среднее напряжение на элементарном резисторе в системе элементарных резисторов высоковольтного устройства, испытательное напряжение изоляционного промежутка высоковольтного устройства и количество элементарных последовательно соединенных резисторов в системе элементарных резисторов высоковольтного устройства.

- Калибровочную эмпирическую зависимость определять в виде графика, таблицы или, например, эмпирической зависимости коэффициента нелинейности от среднего напряжения на элементарном резисторе по соотношению, учитывающему коэффициент нелинейности, две эмпирические константы и среднее напряжение на элементарном резисторе в системе элементарных резисторов исходного устройства.

- При испытании исходного и высоковольтного устройств выполнять экранирование системы элементарных резисторов.

- При определении испытательного напряжения исходного устройства в зависимости от характерного параметра испытаний использовать нижний предел давления изоляционного газа не выше 0,2 МПа, а нижний предел длины изоляционного промежутка использовать в диапазоне от 5% до 15% наименьшего главного радиуса кривизны поверхности, например, для шаровых или цилиндрических электродов изоляционного промежутка.

Технический результат состоит в повышении точности определения испытательного напряжения высоковольтного устройства.

Способ определения испытательного напряжения изоляционного промежутка высоковольтного устройства включает использование системы элементарных резисторов и определение их сопротивления.

При одинаковых условиях испытаний последовательно проводят испытания исходного и высоковольтного устройств.

При испытании исходного устройства выполняют следующие операции. Используют одинаковые по типу и номинальному сопротивлению элементарные резисторы. Определяют активное сопротивление элементарных резисторов исходного устройства. Соединяют систему элементарных резисторов исходного устройства. Определяют суммарное активное сопротивление указанной системы. Испытывают исходное устройство в зависимости от характерного параметра. При фиксированном характерном параметре испытаний на высоковольтный электрод исходного устройства подают напряжение. Постепенно увеличивают поданное напряжение до получения испытательного напряжения изоляционного промежутка исходного устройства. Измеряют испытательное напряжение и испытательный ток, протекающий в момент испытания изоляционного промежутка исходного устройства через амперметр, присоединенный к системе элементарных резисторов. Для каждого характерного параметра испытаний исходного устройства определяют коэффициент нелинейности по соотношению

k = U 0 / ( i 0 ⋅ R 0 ) ,                                                                                     ( 1 )

где k - коэффициент нелинейности, U₀ - испытательное напряжение изоляционного промежутка исходного устройства, B; i₀ - испытательный ток, протекающий в момент испытания изоляционного промежутка исходного устройства через амперметр, присоединенный к системе элементарных резисторов исходного устройства, A; R₀ - суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов исходного устройства, Ом.

Для каждого характерного параметра испытаний определяют в исходном устройстве среднее напряжение на элементарном резисторе системы элементарных резисторов. По результатам испытания исходного устройства определяют калибровочную эмпирическую зависимость коэффициента нелинейности от среднего напряжения на элементарном резисторе системы элементарных резисторов указанного устройства.

При испытании высоковольтного устройства выполняют следующие операции. Определяют активное сопротивление элементарных резисторов высоковольтного устройства. Соединяют систему элементарных резисторов высоковольтного устройства и определяют ее суммарное активное сопротивление. Подают напряжение на высоковольтный электрод высоковольтного устройства. Измеряют испытательный ток, протекающий в момент испытания через амперметр, присоединенный к системе элементарных резисторов высоковольтного устройства. При фиксированном характерном параметре высоковольтного устройства определяют среднее напряжение на элементарном резисторе. Определяют коэффициент нелинейности для системы элементарных резисторов высоковольтного устройства по калибровочной эмпирической зависимости. Определяют испытательное напряжение высоковольтного устройства по соотношению

U t s t = k ⋅ ( i t s t ⋅ R s u m ) ,                                                                                     ( 2 )

где U_tst - испытательное напряжение изоляционного промежутка высоковольтного устройства, B; k - коэффициент нелинейности, определяемый по калибровочной эмпирической зависимости (1) для системы элементарных резисторов высоковольтного устройства, i_tst - испытательный ток, протекающий в момент испытания изоляционного промежутка через амперметр, присоединенный к системе элементарных резисторов высоковольтного устройства, A; R_sum - суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов высоковольтного устройства, Ом.

В частных случаях реализации способа выполняют следующее.

Под одинаковыми условиями испытаний понимают одинаковую форму напряжения и тип элементарных резисторов, например с проводящей неметаллической спиралью, нанесенной на изоляционную цилиндрическую поверхность в виде композиционных углеродистых или металлостеклянных лаковых пленок.

В высоковольтном устройстве используют систему элементарных резисторов в виде одной части из двух или более частей измерительной схемы при одинаковом номинальном сопротивлении указанных резисторов в отдельной части.

При испытании исходного и высоковольтного устройств определяют активное сопротивление каждого элементарного резистора по величине его номинального сопротивления при его наибольшем рабочем напряжении.

При испытании исходного и (или) высоковольтного устройств измеряют активное сопротивление каждого элементарного резистора при напряжении, определяемом по соотношению

U m = M 0 ⋅ U max ,                                                                                     ( 3 )

где U_m - измерительное напряжение на элементарном резисторе при измерении его активного сопротивления, B; 0<М₀≤1 - одинаковая в исходном и высоковольтном устройствах константа, U_max - наибольшее рабочее напряжение элементарного резистора.

При испытании исходного и (или) высоковольтного устройств подают напряжение на элементарные резисторы, отбирают указанные резисторы со стабильным сопротивлением.

В исходном и высоковольтном устройствах используют систему соединенных последовательно или последовательно-параллельно элементарных резисторов.

В исходном устройстве суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов при их последовательном соединении определяют по соотношению

R 0 = ∑ 1 n 0 R i ,                                                                                                     ( 4 )

где R₀ - суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов исходного устройства, Ом; n₀ - количество последовательно соединенных элементарных резисторов системы элементарных резисторов исходного устройства, шт.; R - активное сопротивление элементарного резистора, Ом.

В высоковольтном устройстве суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов при их последовательном соединении определяют по соотношению

R s u m = ∑ 1 n s u m R i ,                                                                           ( 5 )

где R_sum - суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов высоковольтного устройства, Ом; n_sum - количество последовательно соединенных элементарных резисторов системы элементарных резисторов высоковольтного устройства, шт.; R - активное сопротивление элементарного резистора, Ом.

В исходном устройстве суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов при их последовательно-параллельном соединении определяют по соотношению

R 0 = 1 m 0 ∑ 1 n 0 R i ,                                                                                                                     ( 6 )

где R₀ - суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов исходного устройства при их последовательно-параллельном соединении, Ом; m₀ - количество параллельных ветвей в системе элементарных резисторов исходного устройства, шт.; n₀ - количество элементарных резисторов в одной ветви системы элементарных резисторов исходного устройства, шт.; R - активное сопротивление элементарного резистора, Ом.

В высоковольтном устройстве суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов при их последовательно-параллельном соединении определяют по соотношению

R s u m = 1 m s u m ∑ 1 n s u m R i ,                                                                                                                     ( 7 )

где R_sum - суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов высоковольтного устройства при их последовательно-параллельном соединении, Ом; m_sum - количество параллельных ветвей системы элементарных резисторов высоковольтного устройства, шт.; n_sum - количество элементарных резисторов в одной ветви системы элементарных резисторов высоковольтного устройства, шт.; R - активное сопротивление элементарного резистора, Ом.

В исходном и высоковольтном устройствах используют в качестве характерного параметра испытаний при неизменной длине изоляционного промежутка переменное давление изоляционного газа, а при неизменном давлении изоляционного газа используют переменную длину изоляционного промежутка.

В исходном устройстве измеряют испытательное напряжение при помощи роторного вольтметра, электростатического вольтметра или измерительного разрядника, например шарового, стержневого, цилиндрического.

В исходном устройстве среднее напряжение на элементарном резисторе системы элементарных резисторов определяют по соотношению

u = ( i 0 ⋅ R 0 ) / n 0 ,                                                                                     ( 8 )

где u - среднее напряжение на элементарном резисторе в системе элементарных резисторов исходного устройства, B; i₀ - испытательный ток, протекающий в момент испытания изоляционного промежутка через амперметр, присоединенный к системе элементарных резисторов исходного устройства, A; R₀ - суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов исходного устройства, Ом; n₀ - количество элементарных последовательно соединенных резисторов в системе элементарных резисторов исходного устройства, шт.

В исходном устройстве среднее напряжение на элементарном резисторе системы элементарных резисторов определяют по соотношению

u = U 0 / n 0 ,                                                                                                                       ( 9 )

где u - среднее напряжение на элементарном резисторе, B; U₀ - испытательное напряжение изоляционного промежутка исходного устройства, B; n₀ - количество элементарных последовательно соединенных резисторов в системе элементарных резисторов исходного устройства, шт.

В высоковольтном устройстве среднее напряжение на элементарном резисторе системы элементарных резисторов определяют по соотношению

u = ( i t s t ⋅ R s u m ) / n s u m ,                                                                                         ( 10 )

где u - среднее напряжение на элементарном резисторе в системе элементарных резисторов высоковольтного устройства, B; i_tst - испытательный ток, протекающий в момент испытания изоляционного промежутка через амперметр, присоединенный к системе элементарных резисторов высоковольтного устройства, A; R_sum - суммарное сопротивление системы элементарных резисторов высоковольтного устройства, Ом; n_sum - количество элементарных последовательно соединенных резисторов в системе элементарных резисторов высоковольтного устройства, шт.

В высоковольтном устройстве среднее напряжение на элементарном резисторе системы элементарных резисторов определяют по соотношению

u = U t s t / n s u m ,                                                                                                 ( 11 )

где u - среднее напряжение на элементарном резисторе в системе элементарных резисторов высоковольтного устройства, B; U_tst - испытательное напряжение изоляционного промежутка высоковольтного устройства, B; n_sum - количество элементарных последовательно соединенных резисторов в системе элементарных резисторов высоковольтного устройства, шт.

Калибровочную эмпирическую зависимость определяют в виде графика, таблицы или, например, эмпирической зависимости коэффициента нелинейности от среднего напряжения на элементарном резисторе по соотношению

k = A ⋅ u X ,                                                                                         ( 12 )

где k - коэффициент нелинейности, A - эмпирическая константа, B^-X; u - среднее напряжение на элементарном резисторе в системе элементарных резисторов исходного устройства, B; X - эмпирическая константа.

При испытании исходного и высоковольтного устройств выполняют экранирование системы элементарных резисторов.

При определении испытательного напряжения исходного устройства в зависимости от характерного параметра испытаний используют нижний предел давления изоляционного газа не выше 0,2 МПа, а нижний предел длины изоляционного промежутка используют в диапазоне от 5% до 15% наименьшего главного радиуса кривизны поверхности, например, для шаровых или цилиндрических электродов изоляционного промежутка.

При обработке данных испытания коэффициент обратимой нелинейности сопротивления элементарного резистора данного типа усредняют и обобщают, калибровочная эмпирическая зависимость является универсальной, поскольку она не зависит:

- от геометрии электродов изоляционного промежутка исходного устройства,

- от характерного параметра испытаний изоляционного промежутка,

-от номинального значения сопротивления элементарного резистора, используемого в системе элементарных резисторов высоковольтного устройства,

-от свойств изоляционной среды, в которую помещают систему элементарных резисторов.

Точность определения калибровочной эмпирической зависимости (12) или зависимостей 1, 2 (фиг.4) увеличивают при помощи таких факторов, как:

- точность определения суммарных активных сопротивлений R₀, R_sum по соотношениям (4)-(7),

- точность измерения испытательных напряжений и токов U₀, i₀, U_tst, i_tst,

- точность определения средних напряжений на элементарном резисторе по соотношениям (8)-(11),

- степень экранирования системы элементарных резисторов от электростатического поля высоковольтного электрода,

- нижний предел характерного параметра испытаний, выбираемый из области значений характерного параметра, где сопротивление мало отклоняется от линейности.

Примеры конкретного использования способа.

Первый пример использования.

Определение испытательного напряжения искровых защитных промежутков колонны электростатического ускорителя ЭГ-2,5 без ускорительных трубок. Характеристика исходного устройства и операции на нем.

При постоянном напряжении в исходном устройстве в виде электростатического ускорителя ЭГ-2,5 (см. рисунки VI.38, V.10, VI.13 работы [1]) используют высоковольтные углеродистые элементарные резисторы типа КЭВ-5, имеющие наибольшее рабочее напряжение U_max=35 кВ при напряженности электрического поля вдоль изоляционного основания элементарного резистора около 0,25 кВ/мм. Активное сопротивление элементарных резисторов измеряют при напряжении U_m=30 кВ и значении константы М₀=0,86. Испытывают элементарные резисторы в течение 24 часов.

Отбирают элементарные резисторы с наиболее стабильным сопротивлением. Из них собирают систему элементарных резисторов. Суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов составляет R₀=26,48 ГОм. В системе элементарных резисторов последовательно соединяют 83 одинаковых резистора сопротивлением 330 МОм (фиг.1). Напряжение на высоковольтном электроде исходного устройства измеряют с использованием роторного вольтметра, прокалиброванного с помощью ядерных реакций (p, γ) с шириной резонансов около 0,08±0,04 кэВ на электростатическом ускорителе заряженных частиц ЭГ-2,5. Погрешность измерения роторным вольтметром составляет ±0,80%. Испытательный ток i₀, протекающий через систему элементарных резисторов, измеряют микроамперметром М82 класса 0,5.

При постоянной длине изоляционного промежутка L=0,45 м выбирают характе