+ All Categories
Home > Documents > Masurarea tensiunilor si curentilor la valori mari

Masurarea tensiunilor si curentilor la valori mari

Date post: 31-Jan-2017
Category:
Upload: doannguyet
View: 250 times
Download: 1 times
Share this document with a friend
65
5. Măsurarea tensiunilor şi intensităţilor curenţilor electrici În acest capitol se vor prezenta unele dispozitive şi aparate pentru măsurarea tensiunilor şi intensităţilor curenţilor electrici la valori mari ale acestora. Deoarece măsurarea curentului se reduce, adesea, la măsurarea unei tensiuni, se va acorda un spaţiu mai însemnat acesteia din urmă. 5.1 Măsurarea tensiunilor continui Întâlnim tensiuni continui înalte (kV, zeci de kV) la tuburile cinescoape (postaccelerare), la megohmmetrele de înaltă tensiune, precum şi la generatoarele electrostatice de uz tehnologic (vopsire, pluşare, filtrarea gazelor de coş, etc.). La măsurarea unei asemenea tensiuni se utilizează voltmetre electronice asociate cu divizoare de tensiune sau cu senzori optoelectronici precum şi voltmetre electrostatice. 5.1.1 Noţiuni generale Se va examina mai întâi influenţa impedanţei interne Z G a surselor de înaltă tensiune continuă. a) Eroarea datorată efectului de sarcină
Transcript

Masurarea tensiunilor si curentilor la valori mari

=

H

x

E

P

258Msurri Electrice i Electronice2571

C

j

w

Msurarea tensiunilor i intensitilor curenilor electrici

5. Msurarea tensiunilor i intensitilor curenilor electrici n acest capitol se vor prezenta unele dispozitive i aparate pentru msurarea tensiunilor i intensitilor curenilor electrici la valori mari ale acestora. Deoarece msurarea curentului se reduce, adesea, la msurarea unei tensiuni, se va acorda un spaiu mai nsemnat acesteia din urm.

5.1 Msurarea tensiunilor continuintlnim tensiuni continui nalte (kV, zeci de kV) la tuburile cinescoape (postaccelerare), la megohmmetrele de nalt tensiune, precum i la generatoarele electrostatice de uz tehnologic (vopsire, pluare, filtrarea gazelor de co, etc.). La msurarea unei asemenea tensiuni se utilizeaz voltmetre electronice asociate cu divizoare de tensiune sau cu senzori optoelectronici precum i voltmetre electrostatice.

5.1.1 Noiuni generale

Se va examina mai nti influena impedanei interne ZG a surselor de nalt tensiune continu.

a) Eroarea datorat efectului de sarcinPe lng erorile de aparat, la msurarea unei tensiuni Ux la o surs cu impedan ZG mare (fig.5.1), poate aprea i o eroare sistematic de forma (abstracie fcnd de semn):

(s= ZG / ZV,

(5.1)

relaie n care ZV reprezint impedana de intrare la dispozitivul de msurat a lui UX (voltmetru, divizor de tensiune). Aceast eroare se mai numete eroare de efect de sarcin sau simplu : efect de sarcin.

Pentru ca s fie sub 1% , din (5.1) rezult c:

(ZV((100(ZG(,

(5.2)

condiie care n cazul msurrii tensiunilor de c.c. devine:

RV ( 100RG .

(5.2)

b) Clasificarea dispozitivelor voltmetrice dup tensiunea nominalPrin tensiunea nominal Uxn a unui dispozitiv voltmetric (divizor de tensiune, voltmetru) se nelege valoarea lui Ux la cap de scar (c.s.). n privina lui Uxn n prezent este acceptat urmtoarea clasificare :

joas tensiune: 100 1000 V;

medie tensiune: 5 30 kV;

nalt tensiune: 50 300 kV;

foarte nalt tensiune : peste 300 kV

n cele ce urmeaz se au n vedere numai divizoarele (i voltmetrele) pentru medie i nalt tensiune.

5.1.2. Reductoare de medie tensiune

La msurarea unor astfel de tensiuni (1-50 kV) se utilizeaz sonde rezistive i reductoare de tensiune cu modulare.

a) Sonde rezistive de medie tensiuneAu structura de divizor rezistiv cu raportul 1/1.000 sau 1/10.000, ceea ce permite msurarea tensiunilor de ordinul kV sau zecilor de kV, pentru o ieire de ordinul volilor.

Schema unei astfel de sonde este artat n fig 5.2. O atenie deosebit trebuie acordat rezistenei de izolaie la mner, pentru a evita pericolul electrocutrii. Rezistena trebuie s suporte dublul tensiunii nominale 2Uxn=40kV, ceea ce nseamn c distana dintre terminale trebuie s fie minim 10-12 cm. Rezistena R2 trebuie s fie mic n comparaie cu rezistena de intrare la voltmetrul asociat (tipic 10M(), pentru ca raportul de divizare a sondei s rmn independent de voltmetrul utilizat. O fraciune din R2 trebuie s fie reglabil pentru a permite ajustarea raportului de divizare la etalonarea sondei.

1

2

-

n

R

Exemplu de realizare

Sonda 80K-40 Philips are urmtorii parametri de calitate:

tensiuni Ux: 140 kV, R1=1000M(, raport de divizare 1/1000, precizie de baz (1%.

b) Reductoare de tensiune cu modulareSpre deosebire de divizoarele de tensiune rezistive la care raportul de divizare este constant, la reductoarele cu modulare acest raport poate fi modificat pe cale electronic, ceea ce constituie un mare avantaj cnd e necesar schimbarea automat a gamelor (voltmetre cu (P, plci de achiziie).

Schema de principiu a unui astfel de reductor de tensiune continu e prezentat n fig.5.3, a, unde K este un comutator electronic (tranzistor de nalt tensiune), iar FTJ filtru trece jos.

Funcionarea este asemntoare cu a surselor cu stabilizare prin comutaie. Comutatorul K, comandat de ctre semnalul y(t), conecteaz periodic filtrul FTJ, pe durata (, la tensiunea de msurat (UX), iar pe durata (T-() la mas; la ieire se obine o tensiune a crei valoare medie este de forma:

U2 = ((/T)Ux,

(5.3)

relaie n care T reprezint perioada de repetiie a semnalului de comand y(t). Deoarece Ux poate fi variat continuu i precis prin modificarea lui (, dispozitivul se mai numete i divizor programabil sau poteniometru electronic.

1

2

-

n

R

c) Divizoare pentru tensiuni nalteAceste divizoare au particularitatea c odat cu creterea tensiunii de intrare la divizor, crete i posibilitatea apariiei efectului corona precum i a curenilor de fug pe corpul rezistoarelor componente.

Pentru limitarea efectului corona, bornele de intrare se fac n forma de sfer (fig.5.4, a), sub form toroidal (fig.5.4, b) sau form de disc gros cu margini rotunjite (fig.5.4, c).

2

C

j

w

De asemenea, rezistoarele componente ale divizorului se fac de valori egale ntre ele (fig.5.5, a), tipic R = 10 M(, la un curent I = 10 (A, ceea ce asigur o cdere de tensiune de 100 V. Limitarea la 100 V e necesar pentru a evita amorsarea corona. Rezult c pentru Uxn=10kV sunt necesare 100 rezistoare, iar pentru 100kV de zece ori mai multe. irul de rezistoare se introduce ntr-un tub de polietilen care este n form de elice. Elicele sunt plasate ntr-un tub de plexiglas (fig 5.5, b), ce are rol de protecie mecanic, mpotriva umiditii i prafului. La tensiuni nominale de peste 30kV, cilindrul se umple cu ulei de transformator. Ieirea (U2) se face, de regul, printr-un amplificator de izolare (A) cu impedana de intrare de 100-1000 M(, care satisface condiia (5.2). n funcie de calitatea rezistoarelor R (mbtrnire, coeficient de temperatur), precizia obinut nu este mai bun de 2-3%.

O precizie mai bun (tipic 1%) se obine utiliznd rezistoare cu

pelicul metalic, prevzute cu ecran de gard (fig 5.5, c), ns divizorul

rezult mai complicat i mai scump (numr dublu de rezistoare R, EG).

Observaie

Reductoarele de tensiune rezistive (sonde, divizoare) sunt simple, relativ ieftine, ns au i dou neajunsuri:

nu ntotdeauna pot ndeplini condiia (5.2), deoarece adesea au

R11 ns, adic foarte rapide, domeniu unde aproape c e de nenlocuit, deocamdat. Evident la msurarea impulsurilor, ca aparat de afiare se utilizeaz un osciloscop de mare viteza tC < 0,5 ns.

3. Datorit timpului de rspuns optic foarte scurt (sub 1 ns), senzorul Kerr poate fi utilizat i la modularea de mare vitez a cmpului Ex.

4. Celula Kerr poate fi i cu gaze (tipic CO2) sub presiune, situaie n care tensiunea nominal (Uxn) poate atinge 1MV [10], ns construcia este gabaritic (cilindrul cu CO2) i cu greutate mare (sute de kg).

b) Senzor voltmetric cu efect PockelsAcest tip de senzor funcioneaz asemntor cu senzorul Kerr i prezint avantajul c are rspunsul liniar.

Schema de principiu a unui senzor voltmetric Pockels este reprezentat n fig.5.8 unde CP este celula Pockels, ET electrozi transpareni, iar celelalte notaii au semnificaia din fig.5.7. Se observ c aici, raza de lumin polarizat ((P) are aceeai direcie ca i cmpul electric Ex=Ux/l. Celula Pockels (CP) este format dintr-un cristal uni-ax.

Ecuaia de funcionare

Rspunsul CP este de forma [10]:

(=p1(Ex

(5.8)

de unde, innd cont de expresiile (5.4) i (5.6) se obine relaia:

(=p(Ux ; l

p

m

m

p

1

2

1

=

,

(5.9)

ce reprezint ecuaia de funcionare a senzorului Pockels unde p este o constant a acestuia n care l i p1 sunt ale CP.

Performane

Senzorul voltmetric Pockels ofer cam aceeai parametri de calitate ca i senzorul Kerr n ceea ce privete precizia (1%) i viteza de rspuns, cu dezavantajul ca tensiunea nominal (Uxn) este mai mic (zeci de kV).

c) Senzor voltmetric cu fibre opticeSenzorii voltmetrici Kerr i Pockels ofer o bun precizie i o mare vitez de rspuns, ns prezint neajunsul c au cost ridicat i construcie complicat i gabaritic. O soluie mai ieftin i mai simpl o poate constitui senzorul de fibre optice.

Senzorul voltmetric bazat pe fibre optice, descris n continuare, are la baz un senzor electrostatic de tip electroscop (SET), asociat cu un senzor optic de deplasare (SOD) cu fibre optice (fig.5.9, a). n fig.5.9, b este prezentat schema funcional a senzorului voltmetric cu fibre optice.

x

U

T

U

q

=

2

Senzorul electrostatic cu atracie (SET)

Senzorul este montat pe un suport rigid din sticlotextolit (1), plasat ntr-un recipient (2), umplut cu ulei (3). Pe suport este ncastrat la un capt o lam arcuitoare subire din bronz fosforos (4), conectat la pmnt, la al crei capt liber se afl un electrod semisferic (5). Acesta mpreun cu electrodul fix (6) formeaz un senzor (mecanism de msur) de tip electroscop. Sub aciunea tensiunii de msurat (Ux) electrodul (5) este atras spre (6) cu o for:

2

x

1

U

k

F

=

(5.10)

i se deplaseaz ctre acesta pe distan foarte mic, x = k2 F1 , adic:

2

x

2

1

U

k

k

x

=

,

(5.10)

relaie n care k1 este o constant ce depinde de geometria electrozilor (5) i (6), iar k2 un parametru al lamei (4) depinznd de modulul de elasticitate al acesteia.

Senzorul optic de deplasare (SOD)

Are rolul de a msura deplasarea x i este alctuit din dou buci din aceeai fibr optic, dintre care una scurt (7) ce este fixat pe lama arcuitoare (4), i alta lung (8) avnd un capt fixat pe suportul (1) i cellalt capt scos n afara recipientului cu ulei, pe o lungime de 1-5 m, (9), lungime ce formeaz distana de izolare ntocmai ca la senzorii Kerr i Pockels (fig 5.7 i 5.8). Poziia reciproc a fibrelor (7) i (8) este astfel nct n absena lui Ux ambele s fie pe acelai ax optic, iar distana dintre capetele vecine s fie foarte mic (10-20(m). O surs LED trimite un flux radiant ((i) ce strbate ambele fibre (7) i (8) i care poate fi modulat, devenind ((x) prin deplasarea relativ pe distana x a captului liber al fibrei (7), provocat de ctre atracia electrostatic Fx.

Datorit deplasrii x seciunea de trecere (Sx, fig.5.9, c) a fluxului (i se micoreaz, ceea ce provoac scderea acestuia dup relaia evident:

(x/(i =Sx/Si;Si=(d2/4,

(5.11)

n care Si reprezint aria seciunii transversale a miezului, comun ambelor buci de fibr optic. n fig 5.9, d se arat dependena raportului (x/(i de raportul x/d. Se observ c pentru x/d (0,6, (x depinde linear de x, dependen ce poate fi exprimat n forma (k3=const.):

(x=(i((1-k3(x),

(5.12)

Acest (x ajungnd la fotodioda (FD) d natere unei tensiuni de forma (5.6), adic UFD=k4( (x

care este aplicat la intrarea unui amplificator diferenial (AD), mpreun cu o tensiune de referin (Ur). Acest amplificator d la ieire o tensiune de forma (A - amplificarea):U2=A(Ur-UFD).

(5.13)

Cu poteniometrul P se regleaz Ur astfel nct Ux=0 (ceea ce nseamn x=0) tensiunea de ieire (U2) s fie 0, condiie din care rezult k4((i=Ur. Substituind aceast expresie n (5.13) i innd cont de (5.11) se obine n final relaia:

U2=k5(x; k5=k3(A(Ur,

(5.14)

ce reprezint ecuaia de transfer a senzorului optic (SOD).

Ecuaia de funcionare a senzorului voltmetric

Asociind expresia (5.10) cu (5.14) se obine relaia:

2

x

2

U

k

U

=

k=k1(k2(k3(A(Ur ,

(5.15)

ce reprezint ecuaia de funcionare a senzorului voltmetric cu fibre optice.

Performane

Senzorul prezentat are cam aceiai parametri de calitate (limite de msur, precizie, distan de izolare) ca i senzorii electrooptici (Kerr i Pockels), fiind n acelai timp mai simplu i mai ieftin, ns are viteza de rspuns foarte redus (inerie mecanic) i cere o tehnologie mai pretenioas la alinierea optic.

Observaie

n realitate, k3 depinde i de modulul de elasticitate al fibrei optice (7); ns la tensiuni mari (50-100 kV c.s.), Fx este destul de mare pentru a permite neglijarea acestuia n raport cu modulul de elasticitate al lamei (4). La tensiuni joase (kV) se poate renuna la lama (4), lsnd numai fibra (7) pe al crui capt mobil se fixeaz electrodul (5). n acest caz fibra (7) trebuie s fie metalizat i legat la pmnt (la fel ca lama 4).

d) Avantajele i dezavantajele senzorilor voltmetrici optoelectronici

Avantajul esenial al acestor senzori n raport cu divizoarele de tensiune l constituie izolarea galvanic prin fibr optic a aparaturii de ieire i deci a operatorului, ceea ce permite o protecie sigur mpotriva electrocutrii. ns prezint neajunsul ca au fiabilitate mai sczut (componentele electronice) i uneori costul mai ridicat.

5.1.4 Voltmetre electrostatice

Fa de divizoare de tensiune i senzori voltmetrici, voltmetrele electrostatice prezint avantajele:

indic direct tensiunea de msurat fr a mai necesita instrument de afiare;

lucreaz n circuit deschis, deci ofer o impedan de intrare foarte mare (ZI=10121014 ( n c.c.), ceea ce permite satisfacerea condiiei (5.2) pentru aproape toate cazurile de msurri pe obiecte cu RG foarte mare.

Dar i dezavantajele: gabarit mare, deci, portabilitate redus;

nu permit izolare galvanic fa de obiectul de msur.

5.1.4.1 Voltmetre electrostatice de medie tensiune

Acestea pot fi cu ac indicator sau cu indicator optic

a) Voltmetrul cu ac indicator cu schimbarea gamelor sub tensiunen varianta clasic voltmetrele electrostatice de medie tensiune cu ac indicator sunt aproape identice cu cele de joas tensiune i au acelai mare neajuns: o singur tensiune nominal (gam). De aceea n cele ce urmeaz prezentm numai o variant ce permite schimbarea gamelor sub tensiune.Existena mai multor tensiuni nominale (Uxn) permite acoperirea unui domeniu mai larg de msur cu unul i acelai aparat, ceea ce permite ieftinirea operaiei de msurare. La voltmetrele electrostatice, din motive legate de energetica mecanismului de msur, schimbarea gamelor se face, de regul, prin modificarea distanei dintre electrozii activi.

Principiul schimbrii gamelor sub tensiune

Schema funcional a unui voltmetru electrostatic clasic este artat n fig.5.10, a, n care l este electrodul mobil, 2 electrodul fix, 3 resortul antagonist, iar 4 acul indicator.

Ecuaia de funcionare a acestui voltmetru este de forma:

2

x

U

D

2

k

=

a

,

(5.16)

n care D este constanta resortului 3, iar k un parametru geometric ce depinde de distana (d) dintre electrozii activi (fig. 510, b) i este de forma (m=const.): k=m/d. La cap de scar ((=(n, Uxn=Uxn) relaia (5.16) poate fi transcris n forma:

d

M

U

2

xn

=

;

2

,

n

D

Mconst

m

a

==

(5.17)

din care rezult c principala cale de modificare a tensiunii nominale Uxn o constituie modificarea distanei dintre electrozii activi. Pe acest principiu se bazeaz voltmetrele cu schimbarea gamelor sub tensiune, prezentate n cele ce urmeaz.

Observaii

1.Distana d trebuie s fie aleas astfel nct intensitatea cmpului electric dintre electrozi, Uxn/d, s fie sensibil mai mic dect rigiditatea dielectric a aerului (1kV/mm), condiie ndeplinit dac se respect relaia:

Uxn/d ( 0,5 kV/mm.

(5.18)

O valoare pentru d mai mare dect cea din (5.18) (pentru mai mult siguran mpotriva strpungerii spaiului dintre electrozii activi 1 i 2 nu e recomandat deoarece conduce la un cuplu activ insuficient.

Chiar i n situaia respectrii condiiei (5.18) poate aprea strpungerea ntre 1 i 2, datorit unor eventuale vrfuri de tensiune mai mari dect Uxn (tranziii). Pentru limitarea curentului de scurtcircuit ntr-o

atare situaie se nseriaz o rezisten de protecie (Rp), component ce exist la orice voltmetru electrostatic (fig 5.10, a)

Exemplu de kilovoltmetru cu schimbarea gamelor sub tensiunen fig 5.11, a se arat schema funcional a unui kilovoltmetru cu 3 game: 2,5-5-10kV care pot fi schimbate n timpul lucrului, fr a mai fi necesar deconectarea aparatului de la tensiunea de msurat (Ux). Comutarea ntre cele 3 game de tensiune (sensibiliti) ale kilovoltmetrului se realizeaz prin modificarea distanei dintre electrozii activi (d), cu ajutorul unui sistem de 3 electrozi de tensiune plan-paraleli (1,1,1) fixai pe un ax electroizolant (2), cu o buc de bronz (3). La rotirea acestui ax, cu un buton (4) electrozii menionai se pot afla succesiv n zona de lucru a electrodului mobil (5), realiznd succesiv distanele: d, d i d (d


Recommended