СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОБИВНОГО ПОТЕНЦИАЛА ИЗОЛЯЦИОННОГО ПРОМЕЖУТКА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2013 года по МПК G01R31/12 G01R19/00 

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

$$k=U_0/\left(i_0\cdot R_0\right),\left(1\right)$$

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

$$U_{tst}=k\cdot \left(i_{tst}\cdot R_{sum}\right),\left(2\right)$$

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

$$U_m=M_0\cdot U_{\max },\left(3\right)$$

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

$$R_0={\displaystyle \sum _1^{n_0}{R}_i},\left(4\right)$$

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

$$R_{sum}={\displaystyle \sum _1^{n_{sum}}{R}_i},\left(5\right)$$

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

$$R_0=\frac{1}{m_0}{\displaystyle \sum _1^{n_0}{R}_i},\left(6\right)$$

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

$$R_{sum}=\frac{1}{m_{sum}}{\displaystyle \sum _1^{n_{sum}}{R}_i},\left(7\right)$$

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

$$u=\left(i_0\cdot R_0\right)/n_0,\left(8\right)$$

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

$$u=U_0/n_0,\left(9\right)$$

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

$$u=\left(i_{tst}\cdot R_{sum}\right)/n_{sum},\left(10\right)$$

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

$$u=U_{tst}/n_{sum},\left(11\right)$$

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

$$k=A\cdot u^X,\left(12\right)$$

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 характерный параметр испытаний - давление изоляционного газа N₂/CO₂ при 20% CO₂. Проводят испытание на каждой из шести ступеней давления в пределах от 0,2 МПа до 1,2 МПа. На первом этапе обработки экспериментальных данных определяют степенную эмпирическую зависимость отдельно для числителя и для знаменателя соотношения (1). Затем определяют коэффициент нелинейности как отношение указанных степенных зависимостей в виде соотношения:

$$k=\mathrm{0,79}\cdot p_{20}^{-\mathrm{0,116}},\left(13\right)$$

где k - коэффициент нелинейности, определяемый по соотношению (1), а 0,2≤р₂₀≤1,2 МПа - давление изоляционного газа. На втором этапе обработки набора экспериментальных данных при фиксированном значении давления преобразуют соотношение (13) в зависимость коэффициента нелинейности от среднего напряжения на элементарном резисторе в момент испытания изоляционного промежутка (от универсального параметра). Для этого определяют среднее напряжение на элементарном резисторе по соотношению (8) и калибровочную эмпирическую зависимость коэффициента нелинейности от среднего напряжения на элементарном резисторе, определяемого с помощью испытательного тока, протекающего через амперметр, присоединенный к системе элементарных резисторов. В пределах от 8 кВ до 111 кВ для указанного среднего напряжения на элементарном резисторе калибровочная эмпирическая зависимость (12) содержит эмпирические константы А=1,46, B^-X, и X=-0,16.

Характеристика высоковольтного устройства и операции на нем.

Высоковольтное устройство представляет собой защитный искровой промежуток между шаровыми поверхностями электродов с радиусами 8 мм. Электроды закреплены в пространстве одной секции секционной опорной колонны ускорителя ЭГ-2,5. Проводят четыре серии измерений при величинах одного искрового промежутка опорной колонны от 3 мм до 7 мм. Искровые промежутки остальных секций колонны устанавливают длиной 11 мм. Измерительную схему высоковольтного устройства выполняют в виде трех частей (фиг.2), а именно, измерительный прибор, система элементарных резисторов и добавочное сопротивление.

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 M₀=0,86, испытывают элементарные резисторы в течение 24 часов, отбирают элементарные резисторы с наиболее стабильным сопротивлением, из них собирают систему элементарных резисторов и добавочное сопротивление.

Система элементарных резисторов включает два резистора (n_sum=2) с сопротивлением 1 ГОм каждый. Суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов R_sum=2 ГОм. Добавочное сопротивление, равное 26,07 ГОм и состоящее из 79 последовательно соединенных элементарных резисторов с сопротивлением 330 МОм каждый, присоединяют к системе элементарных резисторов и измерительному прибору. Напряжение на высоковольтном электроде ускорителя плавно поднимают до пробоя. Перегруженный в 3 раза испытываемый искровой промежуток пробивается первым и поджигает цепочку последовательно соединенных искровых промежутков вдоль опорной колонны. Испытания проводят после кондиционирования изоляционного промежутка при пяти наблюдениях в выборке пробивного напряжения. Пробивное напряжение защитного искрового промежутка U_tst определяют по соотношению (2) с помощью пробивного тока i_tst, протекающего через амперметр, присоединенный к системе элементарных резисторов.

Расчетная модель пробивного напряжения "Модуль" позволяет сравнить результаты эксперимента и расчета. Без использования коэффициента нелинейности экспериментальные значения пробивного напряжения четырех искровых защитных промежутков превышали расчетные на (20-27) % (см. табл.1 [2]). Например, при фиксированной длине промежутка L=7 мм без учета коэффициента нелинейности в эксперименте получают напряжение 206 кВ, а расчетом по модели "Модуль" получают 150 кВ. С поправкой на нелинейность по соотношениям (1), (2) в том же примере экспериментально определяют пробивное напряжение 145 кВ. Результаты испытаний для четырех длин защитного промежутка оказываются ниже расчетных на (0,1-3,5)%. Пробивное напряжение искровых защитных промежутков колонны ускорителя определено с учетом нелинейности сопротивления с погрешностью менее ±1%.

Второй пример использования.

Определение испытательного напряжения электростатического ускорителя на энергию 2 МэВ горизонтального типа [3].

Характеристика исходного устройства и операции на нем.

Подобно первому примеру использования в качестве исходного устройства принимают ускоритель ЭГ-2,5 при извлеченной вакуумной ускорительной трубке.

Характеристика высоковольтного устройства и операции на нем.

Высоковольтное устройство испытывают в одинаковых условиях с исходным устройством и при одинаковом экранировании системы элементарных резисторов градиентными кольцами опорной колонны. В работе [3] постоянное пробивное напряжение в газе N₂/CO₂/SF₆ при объемных долях CO₂ и SF₆ соответственно 12,5% и 11,5% измеряют при давлении газа от 0,15 МПа до 0,9 МПа с помощью испытательного тока, пренебрегая нелинейностью сопротивления элементарного резистора. Систему элементарных резисторов (фиг.1) используют из 88 одинаковых элементарных резисторов типа КЭВ-5 при сопротивлении каждого 500 МОм, определенном по номинальному значению. Суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов принимают равным R_sum=44 ГОм. Испытательное напряжение высоковольтного устройства определяют по соотношению (2) с помощью калибровочной зависимости (12) при эмпирических константах A=1,46, B^-X, и X=-0,16. При давлении газа 0,9 МПа пробивное напряжение составляет U_tst=2,4 MB. В работе [3] указывают пробивное напряжение 2,9 MB. Погрешность результатов, приведенных на рис.3 работы [3], относительно величин, определяемых по данному способу, увеличивается с давлением изоляционного газа от минус 0,1% до +20%. С учетом грубого определения активного сопротивления элементарных резисторов высоковольтного устройства в данном примере погрешность определения испытательного напряжения ускорителя уменьшена до ±(1-5)%.

На фиг.1 представлено применительно к исходному и высоковольтному устройствам последовательное соединение элементарных резисторов, на фиг.2 - для высоковольтного устройства последовательное соединение двух частей измерительной схемы при одинаковых номинальных сопротивлениях элементарных резисторов в каждой части. На фиг.3 - для исходного и высоковольтного устройств система элементарных резисторов в виде делителя напряжения.

Обычно предполагают, что в делителе напряжения коэффициент нелинейности элементарного резистора учтен с помощью измеряемого напряжения U₂. Однако идентичные свойства нелинейности для сопротивлений R₁, R₂ будут обеспечены при этом путем измерения активного сопротивления элементарных резисторов в одинаковых условиях, например по соотношению (3).

На фиг.4 - зависимости коэффициентов нелинейности от среднего напряжения на элементарном резисторе, определяемого по испытательному току, протекающему в системе элементарных резисторов, соотношение (8), где 1 - зависимость для резисторов типа КЭВ-5 при наибольшем рабочем напряжении 35 кВ и 2 - зависимость для резисторов типа КЛВ-0,5 (и КЭВ-1) при наибольшем рабочем напряжении 10 кВ.

Указанную на фиг.4 калибровочную эмпирическую зависимость "2" определяют при постоянном напряжении положительной полярности для высоковольтных углеродистых резисторов типа КЛВ-0,5 (КЭВ-1) с одинаковым сопротивлением 470 МОм, имеющих напряженность электрического поля вдоль изоляционного основания резистора около 0,22 кВ/мм. Исходное устройство представляет собой однофазный каскадный генератор с выходным напряжением 200 кВ с присоединенным к его высоковольтному выводу шаровым измерительным разрядником горизонтального типа при диаметре шаров 125 мм, при заземленном шаре с отрицательной полярностью напряжения, при отсутствии облучения изоляционного промежутка.

Последовательно-параллельная система элементарных резисторов состоит из двух параллельных ветвей при тринадцати последовательно соединенных резисторах в каждой. Сопротивления элементарных резисторов определяют по их номинальной величине. Систему элементарных резисторов помещают в изоляционный цилиндр с маслом, располагают внутри колонны каскадного генератора и экранируют от электростатического поля высоковольтного вывода при помощи структуры генератора. Суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов R₀=3,06 ГОм определяют по соотношению (6), m₀=2, n₀=13.

В качестве характерного параметра испытаний используют измеряемое с точностью до 0,01 мм расстояние L между шарами измерительного шарового разрядника в пределах от 5 мм до 90 мм. На каждой из десяти длин изоляционного промежутка измерительного шарового разрядника напряжение на высоковольтном электроде исходного устройства плавно повышают до пробоя разрядника. Измеренный пробивной ток усредняют при пяти наблюдениях в выборке. В процессе испытаний напряжение на высоковольтном выводе исходного устройства принимают идентичным табличному значению пробивного напряжения. При постоянном приведенном к 20°C давлении воздуха 0,1 МПа, согласно обобщенной таблице 10.1а на стр.424 [Техника высоких напряжений. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 555 с.], погрешность разрядных напряжений составляет ±5%. Испытательный ток i₀ измеряют с помощью микроамперметра типа ЛМ, класса 0,5.

При фиксированной длине L изоляционного промежутка шарового измерительного разрядника определяют среднее напряжение на элементарном резисторе по соотношению (9), где U₀ - табличное значение пробивного напряжения шарового измерительного разрядника и n₀=13. В пределах от 1,5 кВ до 14 кВ для среднего напряжения на элементарном резисторе, определяемого по соотношению (9), калибровочная эмпирическая зависимость (12) содержит эмпирические константы A=1,40, B^-X, и X=-0,22. Для указанного типа резисторов калибровочную эмпирическую зависимость коэффициента нелинейности от среднего напряжения на элементарном резисторе, определяемого по соотношению (8), при эмпирических константах A=1,32, B^-X, и X=-0,18 представляют с помощью графика 2 на фиг.4. Погрешность определения коэффициента нелинейности в данном случае оценивают величиной ±5%.

Калибровочные эмпирические зависимости, определяемые по соотношениям (12), изменяются плавно, граница между сильной и слабой нелинейностью отсутствует (фиг.4).

Способ позволяет надежно устранить в испытательном напряжении систематическую погрешность нелинейности сопротивления при использовании систем элементарных резисторов, включая схему делителя напряжения.

Способ отличается универсальностью в применении, простотой и низкой стоимостью проведения испытаний.

Измерительная система предлагаемого способа имеет возможности удовлетворить требованиям стандарта по точности и увеличить верхний предел испытательных напряжений до десяти миллионов вольт и более.

Список дополнительной литературы

1. А.К. Вальтер, Ф.Г. Железников, И.Ф. Малышев и др. Электростатические ускорители заряженных частиц, авт.:, М.: Атомиздат, 1963, - с.302.

2. Резвых К.А. Романов В.А., Глотов А.И. // Труды XIV международной конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям, Обнинск: изд. ГНЦ РФ - ФЭИ, 2002, с.201.

3. Малогабаритный электростатический ускоритель на 2 МэВ горизонтального типа (предварительные испытания), авт.: Л.П. Батвинов, А.Д. Вергунов, Л.С. Глазунов и др. // Вопросы атомной науки и техники, серия: Техника физического эксперимента, 1985, вып.1 (22), с.26-28.

Изобретение относится к области электротехники. Сущность: последовательно проводят испытания исходного и высоковольтного устройств. При испытании исходного устройства элементарные резисторы соединяют в систему и определяют ее суммарное активное сопротивление. При каждом фиксированном значении характерного параметра на высоковольтный электрод исходного устройства подают напряжение, увеличивают его до получения испытательного напряжения изоляционного промежутка, измеряют испытательное напряжение и испытательный ток. Для каждого характерного параметра определяют коэффициент нелинейности по соотношению, учитывающему испытательное напряжение изоляционного промежутка исходного устройства, испытательный ток и суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов, и среднее напряжение на элементарном резисторе. По результатам испытания исходного устройства определяют калибровочную зависимость коэффициента нелинейности от среднего напряжения на элементарном резисторе системы элементарных резисторов. При испытании высоковольтного устройства элементарные резисторы соединяют в систему и определяют ее суммарное активное сопротивление. Подают напряжение на высоковольтный электрод, измеряют испытательный ток, при фиксированном характерном параметре определяют среднее напряжение на элементарном резисторе, определяют коэффициент нелинейности по калибровочной зависимости и рассчитывают испытательное напряжение по соотношению, учитывающему коэффициент нелинейности, испытательный ток и суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов. Технический результат - повышение точности определения испытательного напряжения высоковольтного устройства. 19 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения испытательного напряжения изоляционного промежутка высоковольтного устройства, включающий использование системы элементарных резисторов и определение их сопротивления, отличающийся тем, что при одинаковых условиях испытаний последовательно проводят испытания исходного и высоковольтного устройств, при испытании исходного устройства 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
$$k=U_0/(i_0\cdot R_0),\text{ (1)}$$
где k - коэффициент нелинейности,
U₀ - испытательное напряжение изоляционного промежутка исходного устройства, В;
i₀ - испытательный ток, протекающий в момент испытания изоляционного промежутка исходного устройства через амперметр, присоединенный к системе элементарных резисторов исходного устройства, А;
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 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
$$U_{tst}=k\cdot (i_{tst}\cdot R_{sum}),\text{ (2)}$$
где U_tst - испытательное напряжение изоляционного промежутка высоковольтного устройства, В;
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, А;
R_sum - суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов высоковольтного устройства, Ом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при испытании исходного и высоковольтного устройств определяют активное сопротивление каждого элементарного резистора по величине его номинального сопротивления при его наибольшем рабочем напряжении.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при испытании исходного и/или высоковольтного устройств измеряют активное сопротивление каждого элементарного резистора при напряжении, определяемом по соотношению
$$U_m=M_0\cdot U_{\max },\text{ (3)}$$
где U_m - измерительное напряжение на элементарном резисторе при измерении его активного сопротивления, В;
0<М₀≤1 - одинаковая в исходном и высоковольтном устройствах константа,
U_max - наибольшее рабочее напряжение элементарного резистора.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при испытании исходного и/или высоковольтного устройств подают напряжение на элементарные резисторы, отбирают указанные резисторы со стабильным сопротивлением.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в исходном и высоковольтном устройствах используют систему соединенных последовательно или последовательно-параллельно элементарных резисторов.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в исходном устройстве суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов при их последовательном соединении определяют по соотношению
$$R_0={\displaystyle \sum _1^{n_0}{R}_i},\text{ (4)}$$
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.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в высоковольтном устройстве суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов при их последовательном соединении определяют по соотношению
$$R_{sum}={\displaystyle \sum _1^{n_{sum}}{R}_i},\text{ (5)}$$
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.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в исходном устройстве суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов при их последовательно-параллельном соединении определяют по соотношению
$$R_0=\frac{1}{m_0}{\displaystyle \sum _1^{n_0}{R}_i,}\text{ (6)}$$
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.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что в высоковольтном устройстве суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов при их последовательно-параллельном соединении определяют по соотношению
$$R_{sum}=\frac{1}{m_{sum}}{\displaystyle \sum _1^{n_{sum}}{R}_i}\text{, (7)}$$
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.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что в исходном устройстве измеряют испытательное напряжение при помощи роторного вольтметра, электростатического вольтметра или измерительного разрядника, например шарового, стержневого, цилиндрического.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что в исходном устройстве среднее напряжение на элементарном резисторе системы элементарных резисторов определяют по соотношению
$$u=(i_0\cdot R_0)/n_0,\text{ (8)}$$
где u - среднее напряжение на элементарном резисторе в системе элементарных резисторов исходного устройства, В;
i₀ - испытательный ток, протекающий в момент испытания изоляционного промежутка через амперметр, присоединенный к системе элементарных резисторов исходного устройства, А;
R₀ - суммарное активное сопротивление системы элементарных резисторов исходного устройства, Ом;
n₀ - количество элементарных последовательно соединенных резисторов в системе элементарных резисторов исходного устройства, шт.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что в исходном устройстве среднее напряжение на элементарном резисторе системы элементарных резисторов определяют по соотношению
$$u=U_0/n_0,\text{ (9)}$$
где u - среднее напряжение на элементарном резисторе, В;
U₀ - испытательное напряжение изоляционного промежутка исходного устройства, В;
n₀ - количество элементарных последовательно соединенных резисторов в системе элементарных резисторов исходного устройства, шт.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что в высоковольтном устройстве среднее напряжение на элементарном резисторе системы элементарных резисторов определяют по соотношению
$$u=(i_{tst}\cdot R_{sum})/n_{sum},\text{ (10)}$$
где u - среднее напряжение на элементарном резисторе в системе элементарных резисторов высоковольтного устройства, В;
i_tst - испытательный ток, протекающий в момент испытания изоляционного промежутка через амперметр, присоединенный к системе элементарных резисторов высоковольтного устройства, А;
R_sum - суммарное сопротивление системы элементарных резисторов высоковольтного устройства, Ом;
n_sum - количество элементарных последовательно соединенных резисторов в системе элементарных резисторов высоковольтного устройства, шт.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что в высоковольтном устройстве среднее напряжение на элементарном резисторе системы элементарных резисторов определяют по соотношению
$$u=U_{tst}/n_{sum},\text{ (11)}$$
где u - среднее напряжение на элементарном резисторе в системе элементарных резисторов высоковольтного устройства, В;
U_tst - испытательное напряжение изоляционного промежутка высоковольтного устройства, В;
n_sum - количество элементарных последовательно соединенных резисторов в системе элементарных резисторов высоковольтного устройства, шт.

18. Способ по п.1, отличающийся тем, что калибровочную эмпирическую зависимость определяют в виде графика, таблицы или, например, эмпирической зависимости коэффициента нелинейности от среднего напряжения на элементарном резисторе по соотношению
$$k=A\cdot u^X,\text{ (12)}$$
где k - коэффициент нелинейности,
А - эмпирическая константа, B^-X;
u - среднее напряжение на элементарном резисторе в системе элементарных резисторов исходного устройства, В;
Х - эмпирическая константа.

19. Способ по п.1, отличающийся тем, что при испытании исходного и высоковольтного устройств выполняют экранирование системы элементарных резисторов.

20. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.