СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ ПО НАПРЯЖЕНИЮ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при реализации контроля высоких и сверхвысоких напряжений.

Известен способ градуировки по напряжению измерительных устройств, в частности осциллографа, предусматривающий подачу на вход последнего импульсов с выхода эталонного генератора, изменяя амплитуды импульсов и фиксацию отклонений луча на экране осциллографа от нулевой линии [1].

Однако известный способ градуировки приемлем только в тех случаях, когда контролируемые напряжения невелики.

Известен способ градуировки по напряжению высоковольтных измерительных устройств, заключающийся в определении показаний измерительного устройства по значениям пробивного напряжения эталонного разрядного прибора, снимаемым по вольт-секундным характеристикам перекрытий последнего для различных расстояний между электродами. При практической реализации способа в качестве эталонного прибора используют шаровой разрядник. На разрядник и подключенный параллельно ему делитель напряжения подают импульсное напряжение стандартной формы.

Вольт-секундная характеристика разряда в воздухе, отражающая зависимость времени запаздывания разряда от напряжения пробоя, имеет резко спадающий и пологий участки. Для измерений с помощью шарового воздушного разрядника используют пологую часть вольт-секундной характеристики, на протяжении которой время разряда не зависит от величины приложенного к воздушному промежутку напряжения. Изменяя расстояние между электродами разрядника, добиваются пробоя промежутка между ними в 50% случаев от всех подач импульса напряжении на разрядник. Значение амплитуды 50%-ного импульса напряжения находят по величине межэлектродного зазора и размеру электродов разрядника в специально разработанных таблицах. Соответствующее данному напряжению показание измерительного устройства фиксируют. Последовательно изменяя амплитуду стандартного импульса напряжения, строят градуировочный график, который представляет собой зависимость показаний измерительного устройства от величины напряжения, поданного на делитель и шаровой разрядник [2].

Если имеются какие-либо отклонения от требуемого стандарта подаваемой на электроды разрядника волны напряжения, то возникают существенные погрешности измерения. Например, при длительности фронта импульса напряжения менее 1 мкс и времени полуспада менее 5 мкс использование таблиц не обеспечивает требуемой точности измерений, поскольку на вольт-секундной характеристике при указанных длительностях наблюдается резко выраженная зависимость времени разряда между электродами разрядника от величины приложенного к ним напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому является способ градуировки высоковольтных импульсных устройств по напряжению, заключающемуся в определении показаний измерительного напряжения эталонного разрядного прибора, снимаемым по вольт-секундным характеристикам перекрытий последнего, для различных расстояний между электродами, и при этом перекрытия между электродами осуществляют для группы отличных по длине образцов диэлектрика, помещаемых поочередно в вакуум [3].

Способ-прототип дает возможность использования для градуировки высоковольтных измерительных устройств импульсной волны произвольной формы и длительности импульса при любых атмосферных условиях, что повышает точность градуировки. В основу способа-прототипа положен тот факт, что величина напряжения перекрытия (пробоя или разряда по поверхности) диэлектрика в вакууме в диапазоне времени от десятков наносекунд до бесконечности не зависит от времени воздействия напряжения на диэлектрик, вида и формы напряжения. Это свойство обусловлено чрезвычайно малым временем запаздывания разряда по поверхности диэлектрика в вакууме, благодаря указанному свойству, вольт-секундная характеристика перекрытия диэлектрика в вакууме представляет прямую, параллельную оси времени, и для ее построения достаточно снять напряжение в момент перекрытия образца. Градуировку высоковольтного измерительного устройства по способу-прототипу производят, подавая на вход сигнал с плеча делителя напряжения, подключенного параллельно к образцам диэлектрика в вакууме с известными вольт-секундными характеристиками, служащими в качестве эталонного прибора. Напряжение, подаваемое на делитель от генератора, может иметь произвольную форму и длительность. Градуировочную кривую измерительного устройства строят, снимая его показания, например отклонения электронного луча на экране осциллографа в момент перекрытия диэлектрика, значение напряжения перекрытия которого известно.

Однако для реализации способа-прототипа необходимо иметь набор эталонных образцов диэлектрика, которые поочередно размещают между электродами разрядного устройства, что существенно повышает продолжительность процесса градуировки. Это связано с тем, что для установки каждого последующего эталонного образца диэлектрика между электродами необходимо отключить вакуумный и форвакуумный насосы, разгерметизировать вакуумную камеру, открыть доступ к электродам, разместить очередной эталонный образец диэлектрика между электродами, после чего вновь герметизировать камеру, включить форвакуумный насос и при достижении в вакуумной камере требуемого давления, порядка 10^-3 Торр, включить вакуумный, например диффузионный насос, и, в зависимости от объема вакуумной камеры, осуществлять прокачку вакуумной камеры в течение нескольких десятков минут до достижения в ней требуемой глубины вакуума, например 10^-6 Торр. Такая процедура при смене каждого образца может достигать 1,5-2 часов, а весь процесс градуировки может достигать 7-10 часов. Иными словами способ-прототип сложен и трудоемок.

Техническая задача, поставленная в рамках данного изобретения, заключается в упрощении и снижении трудоемкости процесса градуировки.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе градуировки по напряжению высоковольтных измерительных устройств, заключающемся в определении показаний измерительного устройства, в качестве которого используют помещенный в вакуум между двумя электродами диэлектрик, один из электродов выполняют неподвижным и к нему механически прикрепляют один торец упомянутого диэлектрика, а второй электрод, выполненный из эластичного проводящего материала, снабженный устройством перемещения, перемещают вдоль поверхности упомянутого диэлектрика на некоторое расстояние от неподвижного электрода, измеряют упомянутое расстояние, подают на электроды импульсы высокого напряжения, причем увеличивают амплитуду каждого последующего импульса до тех пор, пока не произойдет пробой вдоль поверхности диэлектрика, и при пробое регистрируют показание измерительного прибора, после чего второй электрод вновь перемещают вдоль поверхности упомянутого диэлектрика на другое расстояние от неподвижного электрода, вновь измеряют упомянутое расстояние, подают на электроды импульсы высокого напряжения, увеличивают амплитуду каждого последующего импульса до тех пор, пока не произойдет разряд вдоль поверхности диэлектрика, и при разряде вновь регистрируют показания измерительного прибора, аналогичную процедуру повторяют не менее чем 5-7 раз, после чего по показаниям измерительного прибора строят градуировочный график.

На фиг. 1. схематически представлено устройство, реализующее заявляемый способ, служащее для пояснения сущности изобретения.

На фиг. 2 приведен калибровочный график осциллографа ОК-17М.

На фиг. 1 введены следующие обозначения: 1 - неподвижный электрод, к которому механически прикреплен эталонный диэлектрик 2; подвижный электрод 3, выполненный из проводящей резины, вакуумная камера 4; фланцы вакуумной камеры 5 и 6; устройство перемещения 7, которое включает в себя держатель 8; Вильсоновское уплотнение 9; стакан 10; шпильки 11; полый цилиндр 10; фланец 12; винт 13; шарикоподшипник 14; фланец Вильсоновского уплотнения 15. При этом неподвижный электрод 3 с одной стороны соединен с высоковольтным полюсом источника импульсного напряжения, а с другой стороны к нему крепежными элементами механически присоединен эталонный образец диэлектрика 2, выполненный в виде цилиндрического стержня, длина которого зависит от диапазона измеряемого напряжения. Например, если диапазон измеряемого напряжения от 0 до 1,5 MB, то длина стержня должна быть не менее 1 м. Подвижный электрод 3, выполнен из проводящего эластичного материала, например, из проводящей резины, в виде кольца, внутренний диаметр которого на 0,1-0,2 мм меньше диаметра эталонного стержня, что позволяет плотно облегать поверхность эталонного стержня. Например, если диаметр эталонного диэлектрического стержня был равен 50 мм, то внутренний диаметр упомянутого кольца должен быть равен 49,99÷-49,98 мм. Держатель 8 устройства перемещения 7 выполнен из металла, например из нержавеющей стали. Держатель 8 способен перемещаться в продольном направлении через Вильсоновское уплотнение 9 из внешней атмосферной среды в вакуумную камеру без нарушения ее герметичности. С одной стороны держатель 8 жестко соединен с внешним кольцом шарикоподшипника 14, а с другой стороны к его торцу прикреплен своим дном стакан 10, выполненный из металла, например из нержавеющей стали. Внутренний диаметр стакана на 1-2 мм превышает диаметр эталонного диэлектрика. Например, если диаметр эталонного диэлектрика равен 50 мм, то внутренний диаметр стакана не должен быть меньше 52 мм. На открытом конце стакана 10 расположен кольцеобразный фланец, к которому жестко крепится, например, суперклеем, электрод 3. Во внутреннее кольцо шарикоподшипника 14 одним концом впрессован винт 13. Резьбовая часть винта 13 входит в резьбу, нарезанную в центре фланца 12. Длина резьбы винта 13 должна быть не меньше длины хода эталонного стержня. Например, если длина эталонного стержня равна 1 м, то длина резьбы винта 13 должна быть не меньше 1,24÷1,25 м. Фланец 12 жестко закреплен к фланцу 6 вакуумной камеры шпильками 11, длина которых для рассматриваемого примера также не должна быть меньше 1,2÷1,25 м. Вильсоновское уплотнение 9 плотно прижато фланцем 15 к фланцу 6 вакуумной камеры. Фланец 12 заземлен.

Реализация заявляемого способа осуществлялась следующим способом. В собранной установке, реализующей заявляемый способ, создают вакуум. При этом в течение 30-50 минут откачивают из камеры воздух форвакуумным насосом до создания давления остаточных газов порядка 10^-3 Торр. Поле достижения указанного давления включаю диффузионный насос и в течение 40-45 минут добиваются разрежения в камере порядка 10^-6 Торр. К выходу импульсного высоковольтного генератора, например генератора, выполненного по схеме Аркадьева-Маркса, подсоединяют делитель напряжения, расположенный вне вакуумной камеры, и подсоединяют параллельно ему электроды 1 и 3. Низковольтное плечо делителя напряжения соединяют кабелем с входом измерительного прибора, в частности осциллографа. Измерительным прибором в данном случае является делитель напряжения и осциллограф. Закручиванием болта 13 в фланец 12 добиваются продольного перемещения электрода 3 в сторону неподвижного высоковольтного электрода 1. Сводят электроды 1 и 3 до соприкосновения и принимают положение электродов, при котором произошел контакт, за нулевое, так как при соприкосновении электрода 1 с электродом 3 зазор между ними отсутствует. Затем, вращая винт 13 в противоположном направлении, перемещают электрод 3 вдоль эталонного диэлектрика 2 на некоторое фиксированное расстояние от электрода 1, например на расстояние 100 мм. Подвижный электрод 3 в процессе перемещения, поскольку он выполнен в виде кольца из эластичного материала, в частности из проводящей резины, и плотно охватывает поверхность эталонного диэлектрического образца, создает постоянный надежный контакт между упомянутыми электродом и диэлектрическим образцом. После этого на делитель и электроды 1, 3 подают с выхода генератора высоковольтные импульсы, постепенно повышая амплитуду импульса, до тех пор, пока не произойдет разряд (перекрытие) по поверхности диэлектрика. Измеряют высоту осциллограммы импульса напряжения, при котором произошел пробой, на экране осциллографа в мм, и, зная, что эталонный образец диэлектрика в 100 мм пробивается при 200 кВ, находят первую точку калибровочного графика. После чего вращением болта 13 удаляют электрод 3 от электрода 1 на другое расстояние, равное, например 200 мм и вновь осуществляют процедуру, аналогичную предыдущей. Поскольку график считают построенным корректно в том случае, если он построен не менее чем по 5 точкам, то для построения калибровочного графика указанную процедуру повторяют не менее 5-7 раз.

На фиг.2 в качестве примера приведен градуировочный график осциллографа ОК-17 М.

Таким образом, заявляемый способ по сравнению со способом-прототипом, значительно проще в реализации и менее трудоемок, так как для его реализации требуется в 5-7 раз меньше времени, чем для способа-прототипа.

Источники информации

1. Новопашенный В.А. Электронно-лучевой осциллограф. М., «Энергия», 1969, с.349-350.

2. Воробьев А.А. Высоковольтное испытательное оборудование и измерение. М., Госэнергоиздат, 1960, с.503.

3. А.с. №800921. Способ градуировки по напряжению высоковольтных измерительных устройств. /Смирнов Г.В., Кассиров Г.М/ Опубликовано 30.01.81. Бюл. №4 (прототип).