Способ измерения высоковольтного напряжения

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к методам измерения электрического напряжения высокого уровня. Способ включает возбуждение активного вещества под действием электрического поля высокой напряженности и потенциала одним явным электродом. При этом осуществляется генерация светового потока. Преобразование светового потока в электрический сигнал, функционально связанный с уровнем потенциала электрического поля. По величине полученного сигнала определяется величина измеряемого возбуждающего потенциала. Изобретение обеспечивает непрерывные, бесконтактные динамические измерения постоянных и переменных напряжений при минимальном отборе мощности измерительным каналом из выходной цепи. 2 ил.

 

Способ относится к измерительной технике, в частности к методам измерения электрического напряжения высокого уровня, и может быть использован для непрерывного контроля (и регулирования) выходного напряжения высоковольтных приборных источников малой мощности.

Существует множество классических методов и устройств для измерения напряжений низкого уровня.

Известны способы измерения и реализующие их устройства для измерения высоких напряжений мощных энергетических установок. Они характеризуются значительным потреблением мощности, имеют большую массу и габариты измерительных устройств. По названным показателям способы измерения не приемлемы для маломощных приборных источников.

Известны многочисленные лабораторные способы измерения высоких напряжений, связанные с использованием стационарных установок и оборудования. По названным причинам эти способы также не приемлемы для приборных источников (Нефедьев И.В. Разработка и исследование аппаратуры для точного измерения напряжения постоянного и переменного тока до 150 кВ на основе динамических двухэлектродных систем, автореферат диссертации КТН - Л., 1983). Определенная часть лабораторных способов предназначена для измерения высоких значений потенциалов электростатических полей заряженных диэлектрических поверхностей (RU 2118330, кл. G 01 R 29 /12) и не может быть использована для динамических измерений.

Известны динамические способы измерения высоких переменных напряжений на основе неоднородных делителей напряжения (1. Казаков М.К. Измерительные преобразователи высоких и сверхвысоких напряжений в аналоговый сигнал. Автореферат диссертации КТН - М., 91. 2. Казаков М.К. Измерение высоких напряжений и больших токов в электроэнергетике. Автореферат диссертации ДТН, Ульяновск, 1998), которые не предназначены для измерения постоянных напряжений.

Традиционным является динамический способ измерения высоких напряжений, связанный с применением резистивных делителей выходного напряжения источника. Для маломощных приборных источников полезный ток нагрузки редко превышает значение 1-2 мА, при этом даже для верхнего номинального значения высоковольтных резисторов ток делителя имеет тот же порядок и в части случаев выше. В итоге измерительный делитель сам оказывается значительной нагрузкой высоковольтной цепи, а способ измерения чрезвычайно не экономичным. Кроме того, делитель образует гальваническую связь высоковольтных выходных цепей источника и низковольтных входных цепей измерительного канала, приводящую к пробою электронных элементов и обуславливающую низкую надежность измерительной цепи.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ определения напряженности электрического поля в ионизированном газе путем выделения излучения в спектральной линии с последующим пропусканием через линейный поляризатор, регистрации интенсивности двух ортогональных линейно поляризованных компонент спектральных ионных линий I_y и I_z, вычисления значения A(I_y, I_z) и сопоставления вычисленного значения с аналогичной теоретической зависимостью А(Е) для выбранных линий как функции электрического поля Е (а.с. СССР №1712901). Способ реализуется на лабораторном оборудовании, требует аналитических вычислений и поэтому не пригоден для динамических измерений.

Таким образом, все перечисленные способы имеют ограничения для применения в лабораторных приборных источниках малой мощности с высоким уровнем постоянного выходного напряжения.

Целью предлагаемого изобретения является:

- обеспечение непрерывных динамических измерений как постоянных, так и переменных напряжений при минимальном отборе мощности измерительным каналом из высоковольтной выходной цепи,

- обеспечение гальванической развязки сигнала, содержащего информацию о выходном напряжении и собственно самого выходного напряжения, т.е. бесконтактность измерения.

Поставленная цель достигается тем, что возбуждается свечение активного вещества под действием электрического поля высокой напряженности и потенциала, возбужденный интегральный поток световой энергии преобразуется в электрический сигнал, функционально связанный с уровнем потенциала электрического поля, и по величине электрического сигнала в процессе его сравнения с сигналом функциональной зависимости, предварительно полученной в процессе калибровки, в момент совпадения электрических сигналов определяется величина измеряемого возбуждающего потенциала.

Возбуждение активного вещества должно осуществляться для режимов и состояний, не требующих значительных затрат мощности со стороны электрического поля с применением мер, препятствующих переходу режимов и состояний в другие, более энергоемкие. Для газообразной фазы таким состоянием может быть тлеющий разряд, а для твердой (и жидкой) - холодное свечение при люминесценции.

Пример мер и конструктивных решений, сохраняющих экономичный режим возбуждения и подводящих к реализации способа, приводится для состояния тлеющего разряда в газе.

Газ помещается в герметичный сосуд из диэлектрического оптически прозрачного материала, имеющий единственный электрод, подводящий к газу выходное напряжение источника или его часть (с помощью емкостного делителя напряжения). Вторым (не явным) электродом является совокупность окружающих сосуд деталей источника и элементы корпуса. Электрическое поле электрода с напряжением, равным выходному, возбуждает свечение газа, световой поток Ф которого растет вместе с ростом выходного напряжения U_вых в соответствии с некоторым законом Ф=Ф(U_вых). Характер зависимости Ф=Ф(U_вых) в каждом конкретном случае определяется конструкцией сосуда, его геометрическими размерами, давлением газа, его составом и расположением окружающих сосуд элементов.

С помощью оптической системы световой поток направляется на фотопреобразователь, где световая энергия преобразуется в электрический сигнал с током I_ф или напряжением U_ф, причем U_ф=U_ф(Ф)=U_ф(Ф(U_вых))=f_ф(U_вых). Сигал фотопреобразователя U_ф подвергается усилению до уровня U_к, значительно превышающего уровень шумов, при этом зависимость U_к=f_к(U_вых) представляет собой калибровочную характеристику измерительного канала. Процедура калибровки повторяется при смене сосуда с газом, его смещении, замене фотопреобразователя или по прошествии времени стабильности измерительного канала τ.

Калибровочная характеристика измерительного канала записывается в энергонезависимую память, допускающую, при необходимости, перезапись через время τ.

В процессе оперативных измерений текущий сигнал измерительного канала сравнивается с сигналом калибровочной характеристики запоминающего устройства и по совпавшему значению считывается соответствующее ему значение выходного напряжения U_вых калибровочной характеристики.

В описанном способе свечение вещества (газа) вызывается как постоянным, так и переменным полем, поэтому способ пригоден для измерения постоянных и переменных напряжений с уточнением калибровочной характеристики. Для нормальной работы необходимо, чтобы минимальный световой поток излучения Ф_min был выше порога чувствительности Ф_n фотопреобразователя. Нижний предел измерения определяется напряжением зажигания тлеющего разряда, а верхний - конструкцией делителя выходного напряжения и качеством изоляции.

Способ обеспечивает гальваническую развязку измерительного канала от высоковольтного напряжения посредством оптического излучения. Этим обуславливается низкая вероятность электрического пробоя элементов измерительного канала и его высокая надежность.

Динамика измерений определяется механизмом возбуждения свечения, инерционностью фотопреобразователя, быстротой сравнения и считывания результата. Перечисленные факторы не влияют на результаты и качество визуального контроля напряжения источника и, в большинстве случаев, позволяют использовать сигнал для стабилизации напряжения.

Предлагаемый метод измерения может быть реализован в различных устройствах, один из возможных вариантов построения которого приведен на фиг.1.

К выходу высоковольтного источника 1 подключен делитель выходного U_вых напряжения 2 с переключателем диапазонов измерения 3, с которого напряжение k_д·U_вых подводится к электроду, встроенному в баллон с газом 4 при некотором давлении, и зажигает в газе тлеющий разряд.

Световой поток излучения разряда направляется зеркалом 5 на фотопреобразователь 6, где световая энергия преобразуется в электрический сигнал, усиливаемый усилителем 7, с выхода которого усиленный сигнал подается на первый вход устройства сравнения 8. На второй вход того же устройства через ЦАП 12 подается калиброванный сигнал U_к=f_к(U_вых) измерительного канала, записанный в накопительной матрице 11 блока памяти 10, и сравнивается с текущим значением сигнала на первом входе. Содержимое накопительной матрицы 11 сканируется сигналом генератора линейно нарастающего двоичного кода 7, "пробегающего" по всем адресам матрицы, в результате чего в ЦАП 12 выдается значение U_к сигнала, а в буфер 13 - значение U_вых. В момент равенства сигналов на первом и втором входах устройство сравнения формирует импульс, останавливающий нарастание кода генератора 7 и замыкающий ключ 14, через который сигнал U_вых поступает в регистр текущего значения 16 устройства индикации 15 или в схему стабилизации выходного напряжения.

Частота генератора линейно нарастающего напряжения выбирается исходя из конкретной задачи. При визуальном контроле напряжения она определяется физиологическими особенностями зрения. При использовании значения сигнала текущего напряжения для задачи стабилизации частота генератора должна быть такой, чтобы не снижать быстродействия системы регулирования.

При не высоких требованиях к точности измерений и узком диапазоне изменения выходного напряжения, характерном для режима стабилизации, предлагаемое устройство может быть значительно упрощено. Из него исключается переключатель диапазонов и после усилителя информационный сигнал подается сразу на индикатор или в схему стабилизации напряжения. Упрощенный вариант измерительного устройства приведен на фиг.2, где 1 - высоковольтный источник, 2 - делитель выходного напряжения U_вых, 4 - баллон с газом, 3 - зеркало, 5 - фотопреобразователь, 6 - усилитель, 8 - индикатор с корректирующим устройством 7. Корректирующее устройство вносит поправку в измеренное значение, уменьшающую погрешность измерения.

Эксперименты проводились для геометрически различных баллонов с разными газами. Тлеющий разряд зажигался, начиная от неоновой лампочки типа ТН-0,2 и ТН-0,3 и кончая лампой дневного света, подачей напряжения только на один электрод (или на оба соединенных накоротко). При этом генерировался поток излучения выше порога чувствительности фотопреобразователей типа фотодиод и фоторезистор. Визуально наблюдалась зависимость интенсивности свечения от измеряемого напряжения, которая подтверждалась по результатам измерения фототока. Существенного возрастания тока по высоковольтной цепи не отмечалось, т.к. возбуждение тлеющего разряда с помощью одного электрода предотвращает его переход в более мощный.

Таким образом, эксперименты подтвердили возможность реализации метода в простом измерительном малогабаритном устройстве, экономичность метода с минимумом отбора мощности из высоковольтной цепи и гальваническую развязку низковольтного измерительного канала от измеряемого высокого напряжения.

Способ динамического измерения высоковольтных напряжений, преимущественно маломощных источников, включающий возбуждение свечения активного вещества под действием электрического поля высокой напряженности и потенциала с генерацией светового потока, его преобразование в электрический сигнал, функционально связанный с уровнем потенциала электрического поля, по величине которого в процессе сравнения с сигналом функциональной зависимости, предварительно полученной в процессе калибровки, в момент совпадения электрических сигналов определяется величина измеряемого возбуждающего потенциала, отличающийся тем, что возбуждение свечения активного вещества под действием электрического поля высокой напряженности и потенциала обеспечивается только одним явным электродом.