264 M ĂSURAREA TENSIUNILOR ŞI INTENSITĂŢILOR CURENŢILOR ELECTRICI 5

---

---

Masurarea tensiunilor si curentilor la valori mari

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

Pe lângă erorile de aparat, la măsurarea unei tensiuni U_x la o sursă cu impedanţă Z_G mare (fig.5.1), poate apărea şi o eroare sistematică de forma (abstracţie făcând de semn):

_s= Z_G / Z_V, (5.1)

relaţie în care Z_V reprezintă impedanţa de intrare la dispozitivul de măsurat a lui U_X (voltmetru, divizor de tensiune). Această eroare se mai numeşte eroare de efect de sarcină sau simplu : efect de sarcină.

Pentru ca să fie sub 1% , din (5.1) rezultă că:

Z_V100Z_G, (5.2)

condiţie care în cazul măsurării tensiunilor de c.c. devine:

R_V  100R_G . (5.2^’)

b) Clasificarea dispozitivelor voltmetrice după tensiunea nominală

Prin tensiunea nominal U_xn a unui dispozitiv voltmetric (divizor de tensiune, voltmetru) se înţelege valoarea lui U_x la cap de scară (c.s.). În privinţa lui U_xn în prezent este acceptată următoarea clasificare :

• joasă tensiune: 100 – 1000 V;

• medie tensiune: 5 – 30 kV;

• înaltă tensiune: 50 – 300 kV;

• foarte înaltă tensiune : peste 300 kV

În cele ce urmează se au în vedere numai divizoarele (şi voltmetrele) pentru medie şi înaltă tensiune.

5.1.2. Reductoare de medie tensiune

La măsurarea unor astfel de tensiuni (1-50 kV) se utilizează sonde rezistive şi reductoare de tensiune cu modulare.

a) Sonde rezistive de medie tensiune

Au structura de divizor rezistiv cu raportul 1/1.000 sau 1/10.000, ceea ce permite măsurarea tensiunilor de ordinul kV sau zecilor de kV, pentru o ieşire de ordinul volţilor.

Schema unei astfel de sonde este arătată în fig 5.2. O atenţie deosebită trebuie acordată rezistenţei de izolaţie la mâner, pentru a evita pericolul electrocutării. Rezistenţa trebuie să suporte dublul tensiunii nominale 2U_xn=40kV, ceea ce înseamnă că distanţa dintre terminale trebuie să fie minim 10-12 cm. Rezistenţa R₂ trebuie să fie mică în comparaţie cu rezistenţa de intrare la voltmetrul asociat (tipic 10M), pentru ca raportul de divizare a sondei să rămână independent de voltmetrul utilizat. O fracţiune din R₂ trebuie să fie reglabilă pentru a permite ajustarea raportului de divizare la etalonarea sondei.

Exemplu de realizare

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

tensiuni – U_x: 1–40 kV, R₁=1000M, raport de divizare 1/1000, precizie de bază 1%.

b) Reductoare de tensiune cu modulare

Spre deosebire de divizoarele de tensiune rezistive la care raportul de divizare este constant, la reductoarele cu modulare acest raport poate fi modificat pe cale electronică, ceea ce constituie un mare avantaj când e necesară schimbarea automată a gamelor (voltmetre cu P, plăci de achiziţie).

Schema de principiu a unui astfel de reductor de tensiune continuă e prezentată în fig.5.3, a, unde K este un comutator electronic (tranzistor de înaltă tensiune), iar FTJ filtru trece jos.

Funcţionarea este asemănătoare cu a surselor cu stabilizare prin comutaţie. Comutatorul K, comandat de către semnalul y(t), conectează periodic filtrul FTJ, pe durata , la tensiunea de măsurat (U_X), iar pe durata (T-) la masă; la ieşire se obţine o tensiune a cărei valoare medie este de forma:

U₂ = (/T)U_x, (5.3)

relaţie în care T reprezintă perioada de repetiţie a semnalului de comandă y(t). Deoarece U_x poate fi variat continuu şi precis prin modificarea lui , dispozitivul se mai numeşte şi divizor programabil sau potenţiometru electronic.

c) Divizoare pentru tensiuni înalte

Aceste divizoare au particularitatea că odată cu creşterea tensiunii de intrare la divizor, creşte şi posibilitatea apariţiei efectului corona precum şi a curenţilor de fugă pe corpul rezistoarelor componente.

Pentru limitarea efectului corona, bornele de intrare se fac în forma de sferă (fig.5.4, a), sub formă toroidală (fig.5.4, b) sau formă de disc gros cu margini rotunjite (fig.5.4, c).

b)

De asemenea, rezistoarele componente ale divizorului se fac de valori egale între ele (fig.5.5, a), tipic R = 10 M, la un curent I = 10 A, ceea ce asigură o cădere de tensiune de 100 V. Limitarea la 100 V e necesară pentru a evita amorsarea corona. Rezultă că pentru U_xn=10kV sunt necesare 100 rezistoare, iar pentru 100kV de zece ori mai multe. Şirul de rezistoare se introduce într-un tub de polietilenă care este în formă de elice. Elicele sunt plasate într-un tub de plexiglas (fig 5.5, b), ce are rol de protecţie mecanică, împotriva umidităţii şi prafului. La tensiuni nominale de peste 30kV, cilindrul se umple cu ulei de transformator. Ieşirea (U₂) se face, de regulă, printr-un amplificator de izolare (A) cu impedanţa de intrare de 100-1000 M, care satisface condiţia (5.2). În funcţie de calitatea rezistoarelor R (îmbătrânire, coeficient de temperatură), precizia obţinută nu este mai bună de 2-3%.

O precizie mai bună (tipic 1%) se obţine utilizând rezistoare cu

peliculă metalică, prevăzute cu ecran de gardă (fig 5.5, c), însă divizorul

rezultă mai complicat şi mai scump (număr dublu de rezistoare R, EG).

Observaţie

Reductoarele de tensiune rezistive (sonde, divizoare) sunt simple, relativ ieftine, însă au şi două neajunsuri:

• nu întotdeauna pot îndeplini condiţia (5.2), deoarece adesea au

R₁<1000M.

 nu permit separarea galvanică între obiectul de înaltă tensiune şi

bornele de ieşire (U₂), ceea ce prezintă un pericol pentru operatorul uman.

Pentru evitarea acestor neajunsuri, unii constructori au început a înlocui divizoarele rezistive cu senzori optoelectronici (Kerr, etc).

5.1.3 Senzori de înaltă tensiune optoelectronici

Senzorii optoelectronici prezintă avantajul, că oferă izolare galvanică totală faţă de obiectul de măsură de înaltă tensiune, ceea ce asigură o foarte bună protecţie împotriva electrocutării operatorului uman. Din rândul acestor senzori se vor prezenta pe scurt senzorii bazaţi pe efecte electrooptice (cu efect Kerr şi cu efect Pockels) precum şi un senzor cu fibre optice.

Senzor voltmetric cu efect Kerr

Senzorul cu efect Kerr (şi cel cu efect Pockels) se bazează pe acţiunea câmpului electric asupra luminii polarizate.

Se ştie că o rază de lumină monocromatică se propagă sub formă de unde electromagnetice plane şi că o astfel de undă are două componente: electrică şi magnetică care oscilează în plane perpendiculare între ele (fig. 5.6, a), direcţia de propagare fiind dată de către vectorul Poyting [11,19]:

.

Planul în care oscilează E se numeşte plan de oscilaţie, iar cel în care oscilează H plan de polarizare. În fenomenele optice componenta H nu este luată în considerare. La lumină naturală (LN) există mai multe plane de oscilaţie (fig. 5.6, b), în timp ce la lumina polarizată există un singur plan de oscilaţie (fig.5.6, c). Planul de oscilaţie poate fi rotit cu un unghi , cu ajutorul unui câmp electric (efect Kerr, Pockels) sau cu ajutorul unui câmp magnetic (efect Faraday). Prin măsurarea lui  se obţin informaţii asupra intensităţii câmpurilor respective. Măsurarea lui  se face cu ajutorul unui dispozitiv optic polarizor-analizor (fig 5.6, d). Polarizorul (P), primind lumina naturală (LN) selectează din aceasta un singur plan de oscilaţie, furnizând astfel o rază de lumină polarizată (LP). Dacă analizorul A este în antifază cu P (adică rotit la 90­⁰ faţă de P), LP nu poate trece dincolo de A şi, deci, la ieşirea acestuia, fluxul luminos (_x) prin intermediul căruia se măsoară  este 0. Relaţia dintre aceste mărimi este de forma (m₁=const.):

_x=m₁. (5.4)

Efectul Kerr constă în rotirea cu un unghi , a planului de oscilaţie al unei raze de lumină polarizată liniar, rotire cu ajutorul unui câmp electric perpendicular pe direcţia razei respective. Acest fenomen este descris de ecuaţia [10]:

(rad), (5.5)

în care l este lungimea celulei Kerr, iar K constanta lui Kerr. Mărimea lui E_x este legată de tensiunea de măsurat prin relaţia cunoscută:

E_x = U_x / d ,

în care d este distanţa dintre electrozii celulei (plan-paraleli).

S chema de principiu a unui senzor Kerr este prezentată în fig 5.7. Aici DL este o sursă monocromatică (dioda laser), P şi A dispozitivul polarizor-analizor, CK celula Kerr (cilindru de plexiglas umplut cu nitrobenzen), LC lentilă de concentrare, FO fibră optică, iar FD fotodioda.

Ecuaţia de funcţionare. În absenţa lui U_x, fluxul _x care iese din analizor (A) este zero, deoarece P şi A sunt în antifază. După aplicarea lui U_x planul de polarizare al luminii începe a se roti după ecuaţia (5.5), ceea ce conduce

la apariţia lui _x care creşte după relaţia (5.4). Acest _x este transportat la FD prin intermediul unei fibre optice (FO) cu lungimea de 1…5 m care

constituie o izolare electrică sigură şi de bună calitate. Ajungând la FD, fluxul _x este convertit într-o tensiune (m₂=const.), după relaţia:

U₂=m₂_x, (5.6)

cu ajutorul unui convertor curent-tensiune cu AO. Această relaţie în asociere cu (5.4) şi (5.5) poate fi scrisă sub forma:

; , (5.7)

ce reprezintă ecuaţia de funcţionare a senzorului de tensiune cu efect Kerr şi în care q este o constantă a acestuia.

Performanţe

Senzorul Kerr permite măsurarea tensiunilor continui (si alternative) până la câteva sute de kV, cu precizie 0,5-1% c.s., sensibil mai bună decât în cazul divizoarelor de tensiune. Însă este mai complicat şi mai scump şi, în plus, nu permite detectarea polarităţii lui U­_x.

Observaţii

1. Din (5.7) rezultă că senzorul Kerr poate funcţiona şi în c.a., deoarece are răspunsul dependent de pătratul tensiunii de măsurat (U_x), ceea ce constituie un avantaj, mai ales la măsurarea valorii efective la înaltă tensiune şi înaltă frecvenţă (până la 500MHz ).

2. De asemenea, senzorul Kerr poate fi utilizat şi la măsurarea impulsurilor de înaltă tensiune ( zeci de kV ) cu timp de creştere t_C>1 ns, adică foarte rapide, domeniu unde aproape că e de neînlocuit, deocamdată. Evident la măsurarea impulsurilor, ca aparat de afişare se utilizează un osciloscop de mare viteza t_C < 0,5 ns.

3. Datorită timpului de răspuns optic foarte scurt (sub 1 ns), senzorul Kerr poate fi utilizat şi la modularea de mare viteză a câmpului E_x.

4. Celula Kerr poate fi şi cu gaze (tipic CO₂) sub presiune, situaţie în care tensiunea nominală (U_xn) poate atinge 1MV [10], însă construcţia este gabaritică (cilindrul cu CO₂) şi cu greutate mare (sute de kg).

b) Senzor voltmetric cu efect Pockels

Acest tip de senzor funcţionează asemănător cu senzorul Kerr şi prezintă avantajul că are răspunsul liniar.

Schema de principiu a unui senzor voltmetric Pockels este reprezentată în fig.5.8 unde CP este celula Pockels, ET electrozi transparenţi, iar celelalte notaţii au semnificaţia din fig.5.7. Se observă că aici, raza de lumină polarizată (_P) are aceeaşi direcţie ca şi câmpul electric E_x=U_x/l. Celula Pockels (CP) este formată dintr-un cristal uni-ax.

Ecuaţia de funcţionare

Răspunsul CP este de forma [10]:

=p₁E_x (5.8)

de unde, ţinând cont de expresiile (5.4) şi (5.6) se obţine relaţia:

=pU_x ; , (5.9)

ce reprezintă ecuaţia de funcţionare a senzorului Pockels unde p este o constantă a acestuia în care l şi p₁ sunt ale CP.

Performanţe

S
enzorul voltmetric Pockels oferă cam aceeaşi parametri de calitate ca şi senzorul Kerr în ceea ce priveşte precizia (1%) şi viteza de răspuns, cu dezavantajul ca tensiunea nominală (U_xn) este mai mică (zeci de kV).

c) Senzor voltmetric cu fibre optice

Senzorii voltmetrici Kerr şi Pockels oferă o bună precizie şi o mare viteză de răspuns, însă prezintă neajunsul că au cost ridicat şi construcţie complicată şi gabaritică. O soluţie mai ieftină şi mai simplă o poate constitui senzorul de fibre optice.

Senzorul voltmetric bazat pe fibre optice, descris în continuare, are la bază un senzor electrostatic de tip electroscop (SET), asociat cu un senzor optic de deplasare (SOD) cu fibre optice (fig.5.9, a). În fig.5.9, b este prezentată schema funcţională a senzorului voltmetric cu fibre optice.

Fig. 5.9 Senzor voltmetric cu fibră optică: a) schemă de principiu;

b) schemă funcţională; c) detaliu; d) caracteristica optică de transfer

Senzorul electrostatic cu atracţie (SET)

Senzorul este montat pe un suport rigid din sticlotextolit (1), plasat într-un recipient (2), umplut cu ulei (3). Pe suport este încastrată la un capăt o lamă arcuitoare subţire din bronz fosforos (4), conectată la pământ, la al cărei capăt liber se află un electrod semisferic (5). Acesta împreună cu electrodul fix (6) formează un senzor (mecanism de măsură) de tip electroscop. Sub acţiunea tensiunii de măsurat (U_x) electrodul (5) este atras spre (6) cu o forţă:

(5.10)

şi se deplasează către acesta pe distanţă foarte mică, x = k₂· _­F₁ , adică:

, (5.10’)

relaţie în care k₁ este o constantă ce depinde de geometria electrozilor (5) şi (6), iar k₂ un parametru al lamei (4) depinzând de modulul de elasticitate al acesteia.

Senzorul optic de deplasare (SOD)

Are rolul de a măsura deplasarea x şi este alcătuit din două bucăţi din aceeaşi fibră optică, dintre care una scurtă (7) ce este fixată pe lama arcuitoare (4), şi alta lungă (8) având un capăt fixat pe suportul (1) şi celălalt capăt scos în afara recipientului cu ulei, pe o lungime de 1-5 m, (9), lungime ce formează distanţa de izolare întocmai ca la senzorii Kerr şi Pockels (fig 5.7 şi 5.8). Poziţia reciprocă a fibrelor (7) şi (8) este astfel încât în absenţa lui U_x ambele să fie pe acelaşi ax optic, iar distanţa dintre capetele vecine să fie foarte mică (10-20m). O sursă LED trimite un flux radiant (_i) ce străbate ambele fibre (7) şi (8) şi care poate fi modulat, devenind (_x) prin deplasarea relativă pe distanţa x a capătului liber al fibrei (7), provocată de către atracţia electrostatică F_x.

Datorită deplasării x secţiunea de trecere (S_x, fig.5.9, c) a fluxului _i se micşorează, ceea ce provoacă scăderea acestuia după relaţia evidentă:

_x/_i =S_x/S_i ; S_i=·d²/4, (5.11)

în care S_i reprezintă aria secţiunii transversale a miezului, comună ambelor bucăţi de fibră optică. În fig 5.9, d se arată dependenţa raportului _x/_i de raportul x/d. Se observă că pentru x/d 0,6, _x depinde linear de x, dependenţă ce poate fi exprimată în forma (k₃=const.):

_x=_i(1-k₃x), (5.12)

Acest _x ajungând la fotodioda (FD) dă naştere unei tensiuni de forma (5.6), adică

U_FD=k₄ ­_x

care este aplicată la intrarea unui amplificator diferenţial (AD), împreună cu o tensiune de referinţă (U_r). Acest amplificator dă la ieşire o tensiune de forma (A - amplificarea):

U₂=A(U_r-U_FD). (5.13)

Cu potenţiometrul P se reglează U_r astfel încât U_x=0 (ceea ce înseamnă x=0) tensiunea de ieşire (U₂) să fie 0, condiţie din care rezultă k₄_i=U_r. Substituind această expresie în (5.13) şi ţinând cont de (5.11) se obţine în final relaţia:

U₂=k₅x; k₅=k₃AU_r, (5.14)

ce reprezintă ecuaţia de transfer a senzorului optic (SOD).

Ecuaţia de funcţionare a senzorului voltmetric

Asociind expresia (5.10) cu (5.14) se obţine relaţia:

k=k₁k₂k₃AU_r , (5.15)

ce reprezintă ecuaţia de funcţionare a senzorului voltmetric cu fibre optice.

Performanţe

Senzorul prezentat are cam aceiaşi parametri de calitate (limite de măsură, precizie, distanţă de izolare) ca şi senzorii electrooptici (Kerr şi Pockels), fiind în acelaşi timp mai simplu şi mai ieftin, însă are viteza de răspuns foarte redusă (inerţie mecanică) şi cere o tehnologie mai pretenţioasă la alinierea optică.

Observaţie

În realitate, k₃ depinde şi de modulul de elasticitate al fibrei optice (7); însă la tensiuni mari (50-100 kV c.s.), F_x este destul de mare pentru a permite neglijarea acestuia în raport cu modulul de elasticitate al lamei (4). La tensiuni joase (kV) se poate renunţa la lama (4), lăsând numai fibra (7) pe al cărui capăt mobil se fixează electrodul (5). În acest caz fibra (7) trebuie să fie metalizată şi legată la pământ (la fel ca lama 4).

d) Avantajele şi dezavantajele senzorilor voltmetrici optoelectronici

Avantajul esenţial al acestor senzori în raport cu divizoarele de tensiune îl constituie izolarea galvanică prin fibră optică a aparaturii de ieşire şi deci a operatorului, ceea ce permite o protecţie sigură împotriva electrocutării. Însă prezintă neajunsul ca au fiabilitate mai scăzută (componentele electronice) şi uneori costul mai ridicat.

5.1.4 Voltmetre electrostatice

Faţă de divizoare de tensiune şi senzori voltmetrici, voltmetrele electrostatice prezintă avantajele:

• indică direct tensiunea de măsurat fără a mai necesita instrument de afişare;

• lucrează în circuit deschis, deci oferă o impedanţă de intrare foarte mare (Z_I=10¹²—10¹⁴  în c.c.), ceea ce permite satisfacerea condiţiei (5.2’) pentru aproape toate cazurile de măsurări pe obiecte cu R_G foarte mare.

Dar şi dezavantajele:

• gabarit mare, deci, portabilitate redusă;

• nu permit izolare galvanică faţă de obiectul de măsură.

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 tensiune

În varianta clasică voltmetrele electrostatice de medie tensiune cu ac indicator sunt aproape identice cu cele de joasă tensiune şi au acelaşi mare neajuns: o singură tensiune nominală (gamă). De aceea în cele ce urmează prezentăm numai o variantă ce permite schimbarea gamelor sub tensiune.

Existenţa mai multor tensiuni nominale (U_xn) permite acoperirea unui domeniu mai larg de măsură cu unul şi acelaşi aparat, ceea ce permite ieftinirea operaţiei de măsurare. La voltmetrele electrostatice, din motive legate de energetica mecanismului de măsură, schimbarea gamelor se face, de regulă, prin modificarea distanţei dintre electrozii activi.

Principiul schimbării gamelor sub tensiune

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

Ecuaţia de funcţionare a acestui voltmetru este de forma:

, (5.16)

în care D este constanta resortului 3, iar k un parametru geometric ce depinde de distanţa (d) dintre electrozii activi (fig. 510, b) şi este de forma (m=const.): k=m/d. La cap de scară (=_n, U_xn=U_xn) relaţia (5.16) poate fi transcrisă în forma:

; (5.17)

d
in care rezultă că principala cale de modificare a tensiunii nominale U_xn o constituie modificarea distanţei dintre electrozii activi. Pe acest principiu se bazează voltmetrele cu schimbarea gamelor sub tensiune, prezentate în cele ce urmează.

Observaţii

1. Distanţa d trebuie să fie aleasă astfel încât intensitatea câmpului electric dintre electrozi, U_xn/d, să fie sensibil mai mică decât rigiditatea dielectrică a aerului (1kV/mm), condiţie îndeplinită dacă se respectă relaţia:

U_xn/d  0,5 kV/mm. (5.18)

O valoare pentru d mai mare decât cea din (5.18) (pentru mai multă siguranţă împotriva străpungerii spaţiului dintre electrozii activi 1 şi 2 nu e recomandată deoarece conduce la un cuplu activ insuficient.

Chiar şi în situaţia respectării condiţiei (5.18) poate apărea străpungerea între 1 şi 2, datorită unor eventuale vârfuri de tensiune mai mari decât U_xn (tranziţii). Pentru limitarea curentului de scurtcircuit într-o

atare situaţie se înseriază o rezistenţă de protecţie (R_p), componentă ce există la orice voltmetru electrostatic (fig 5.10, a)

Exemplu de kilovoltmetru cu schimbarea gamelor sub tensiune

În fig 5.11, a se arată schema funcţională a unui kilovoltmetru cu 3 game: 2,5-5-10kV care pot fi schimbate în timpul lucrului, fără a mai fi necesară deconectarea aparatului de la tensiunea de măsurat (U_x). Comutarea între cele 3 game de tensiune (sensibilităţi) ale kilovoltmetrului se realizează prin modificarea distanţei dintre electrozii activi (d), cu ajutorul unui sistem de 3 electrozi de tensiune plan-paraleli (1,1’,1’’) fixaţi pe un ax electroizolant (2), cu o bucşă de bronz (3). La rotirea acestui ax, cu un buton (4) electrozii menţionaţi se pot afla succesiv în zona de lucru a electrodului mobil (5), realizând succesiv distanţele: d, d^’ şi d^’’ (d<d’<d’’) corespunzătoare gamelor U_xn=2,5kV, U_xn=5kV, U_xn=10kV. Aceste game sunt legate de distanţele respective prin relaţii de forma (5.17).

În fig 5.11,b se arată forma exterioară a acestui kilovoltmetru, unde 6 este borna de masă, 7 borna de tensiune, 10 izolator, iar 11 carcasa (aluminiu 2mm grosime).

Parametri de calitate:

• game (U_xn) comutabile sub tensiune: 2,5-5-10kV;

• precizie: 2,5% c.s;

• banda de frecvenţe: 0-2 MHz;

• dimensiuni: 350x220x130 mm, masă 2Kg.

b) Voltmetru electrostatic cu indicator optic şi schimbarea gamelor sub tensiune

Utilizarea indicatorului optic în locul celui cu ac la voltmetrele electrostatice permite o mai eficientă ecranare a organului mobil, precum şi o anumită îmbunătăţire a preciziei (organ mobil pe benzi de întindere ). De asemenea permite şi o mai uşoară schimbare a gamelor de măsură.

Neajunsul voltmetrelor clasice cu indicator optic: gamele de măsură nu pot fi schimbate sub tensiune.

Pentru exemplificare utilizăm kilovoltmetrul rusesc C-96 (7,15,30 kV)

La acesta schimbare gamelor se face în felul următor: se deconectează U_x, se alege gama (U_xn) necesară precum şi scara corespunzătoare pentru afişarea acesteia, după care se reconectează U_x pentru continuarea măsurării. Acest mod de schimbare a gamelor

prezintă două neajunsuri importante:

• necesitatea deconectării aparatului pe timpul schimbării gamelor, ceea ce înseamnă viteză de lucru coborâtă, precum şi posibilitatea apariţiei unor erori suplimentare;

• pericol de electrocutare pentru operator (acesta e obligat să pună mâna pe electrodul de tensiune).

La voltmetrul prezentat în cele ce urmează ambele neajunsuri dispar deoarece schimbare gamelor se face fără a deconecta aparatul, iar manevrarea electrozilor se face cu un ax electroizolant prevăzut cu buton.

Kilovoltmetru cu indicator optic şi schimbarea gamelor sub tensiune

În fig 5.12, a se arată schema funcţională a unui kilovoltmetru de 7,5-15-30 kV, cu schimbarea gamelor sub tensiune şi indicator optic. Ca şi în cazul kilovoltmetrului cu ac indicator (fig 5.11) schimbarea gamelor (U_xn) se face prin modificarea distanţei (D) dintre electrozii activi, cu ajutorul unui sistem cu trei electrozi de tip ciupercă (1, 1’, 1’’), fixaţi pe un ax metalic (2) şi puşi la tensiunea de măsurat (U_x) prin intermediul unei perii (3). Electrodul mobil (4), împreună cu oglinda (5) sunt fixate pe un ax (6) care la rându-i este fixat pe şasiu cu bentiţe de întindere (7) ce dau cuplul antagonist şi fac legătura la masă a organului mobil.

Oglinda (5) primeşte raza de lumină de la lampa L, pe care o reflectă pe scara gradată translucidă (8), formând spotul indicator (9).

Ca şi la kilovoltmetru din fig 5.11, sunt necesare scări gradate separate pentru fiecare dintre cele 3 game. Aceste scări: 8, 8’, 8’’ (fig 5.12, c) sunt aduse în zona spotului (9) cu ajutorul unei came (nefigurate)

fixată pe partea electroizolantă (2’) a axului (2) parte de care este fixat şi butonul comutatorului de game (10).

Î
n fig. 5.12, b se prezintă vederea din faţă a kilovoltmetrului din fig. 5.12, a

Performanţe:

• game de tensiune: 7,5-15-30 kV;

• precizie: 2,5% cs;

• banda: 0-5 MHz;

• dimensiuni: 600x280x300 mm; masă 5Kg.

5.1.4.2 Voltmetre electrostatice de înaltă tensiune (50-300 kV)

a) Voltmetre electrostatice clasice

Din mulţimea acestora [3] vom prezenta numai tipul cu atracţie, deoarece este cel mai răspândit în laboratoarele de tehnica tensiunilor înalte.

Schema de alcătuire

Schema unui voltmetru electrostatic de tipul cu atracţie este prezentată în fig 5.13, a. Tensiunea de măsurat (U_x) este aplicată unui electrod fix (1), montat pe un suport electroizolant (2), care exercită o forţă de atracţie:

(5.19)

asupra unui electrod mobil (3) prevăzut cu inel de gardă (4). Datorită forţei F₁, electrodul mobil se deplasează către (1) pe o distanţă foarte mică x; acesteia i se opune forţa:

F₂=k₂x (5.20)

ce ia naştere în resortul antagonist (5), iar echilibrul se stabileşte când F₁=F₂, condiţie din care rezultă relaţia:

. (5.21)

Deplasarea x este convertită într-o deviaţie () a unui dispozitiv de afişare cu ac indicator (6), cu ajutorul unui mecanism cu pârghii, între  şi x existând relaţia evidentă:

=k₃x , (5.22)

în care k₃ este o constantă a acestui mecanism. Sistemul de electrozi 3-4 şi mecanismul 5-6 sunt plasate într-o cutie ecran (7), montată pe un suport (8), fixat pe un batiu (9) ca şi sistemul 1-2.

Ecuaţia de funcţionare

Din asocierea expresiei (5.21) cu (5.22) rezultă relaţia:

; , (5.23)

ce reprezintă ecuaţia de funcţionare a voltmetrului analizat, în care k e un parametru al acestuia.

Demonstraţia expresiei (5.19)

În fig. 5.13, b se arată schema de principiu a voltmetrului din fig. 5.13, a. Datorită tensiunii de măsurat (U­_x) în condensatorul cu aer C₁₃ se înmagazinează energia:

,

(S- suprafaţa electrodului 3, ₀- permitivitatea aerului), care dă naştere forţei de atracţie:

(x<<d), (5.24)

expresie identică cu (5.19) dacă se utilizează substituţia:

k₁=₀S/2d² (5.25)

Schimbarea gamelor (U_xn)

Ţinând cont de (5.25), ecuaţia de funcţionare (5.23) poate fi transcrisă în forma:

(5.26)

care pentru =_n devine:

; (5.27)

ceea ce arată că schimbarea lui U_xn se poate face prin modificarea distanţei (d) dintre electrozii activi (1 şi 3). Operaţia se realizează prin deplasarea suportului (2) spre electrodul (3), poziţia lui (2) pe batiu (9) fiind precizată cu ajutorul unui index (10) şi a unei rigle gradate (11) fixată pe batiu (9). Evident distanţa (d) trebuie să respecte şi condiţia (5.18).

Atenţie ! La schimbarea gamelor unui astfel de voltmetru trebuie luate precauţiile menţionate la observaţia anterioară la voltmetrul C-96.

Exemplu de construcţie

Kilovoltmetrul rusesc C-100 cu următoarele performanţe:

• game (U_xn): 25 – 50 – 75 kV;

• precizie : 1,5 % c.s.;

• banda: 0 – 500 kHz.

b) Voltmetrul electrostatic de înaltă tensiune cu afişare la distanţă

Instalaţiile de măsură de înaltă tensiune sunt plasate într-un perimetru împrejmuit cu gard din plasă de sârmă, cu rol de protecţie a operatorului uman împotriva electrocutării. În această situaţie voltmetrul electrostatic se află la o distanţă relativ mare faţă de operator, ceea ce poate cauza erori de citire importante. Voltmetrul prezentat în cele ce urmează înlătură acest neajuns, deoarece informaţia despre (U­_x) este transmisă în exteriorul perimetrului împrejmuit şi afişată pe un instrument separat.

Schema funcţională

Schema unui voltmetrul electrostatic cu afişare la distanţă este prezentată în fig 5.14. Se observă că este de tip comparator c.a./c.c. electrostatic/magnetoelectric cu echilibrare automată. Spre deosebire de mecanismul pe benzi de întindere, aici axul organului mobil (3) este susţinut pe benzi (4) de tipul fără cuplu, iar cuplul antagonist este creat de către bobina (B) a unui mecanism magnetoelectric, fixată pe acelaşi ax cu electrodul mobil (2). Acesta din urmă este prevăzut cu o aripioară (5) în care e practicată o mică fantă (6) ce permite trecerea unui flux luminos (), trimis de o lampă cu lentilă (L) spre două fotorezistenţe (7,8), montate într-o punte împreună cu două rezistenţe (9,10), puncte care în absenţa lui U_x se află în echilibru.

Funcţionare. La aplicarea tensiunii de măsurat U_x ia naştere cuplul direct (k₁= const): , care tinde să rotească organul mobil, ceea ce face ca fotorezistenţele să nu mai fie iluminate în mod egal şi ca urmare puntea se echilibrează, iar curentul de dezechilibru (I) este trimis în bobina (B) care produce cuplul antagonist (k₂=const), M₂=k₂I. Organul mobil se echilibrează când M₁=M₂, deci: relaţie ce poate fi transcrisă în forma:

,

c
e reprezintă ecuaţia de transfer c.a./c.c. a comparatorului.

Dispozitivul de afişare la distanţă

Curentul I este trecut printr-o rezistenţă calibrată (R), iar căderea de tensiune RI, este trecută printr-un extractor de radical (11) ce dă la ieşire o tensiune (k₃= const):

.

În fine, U₂ este măsurată cu un voltmetru numeric, VN, ce afişează un număr (k₄=const): N=k₄U₂, adică:

N=kU_x ,

relaţie ce constituie ecuaţia de funcţionare a voltmetrului prezentat.

Voltmetrul VN poate fi montat la o distanţă de 10-20 m faţă de carcasa voltmetrului (12), deoarece rezistenţa de ieşire a blocului (11), R₀, poate fi aleasă astfel încât rezistenţa legăturii AB, R_AB, să fie neglijabil de mică faţă de R₀. Rezistenţa R şi blocul (11) sunt plasate în interiorul carcasei (12).

Performanţe

• U_xn=60kV (o singură gamă în loc de trei: 15-30-60kV);

• precizie: 0,5 % c.s. (îmbunătăţirea preciziei se datorează lui VN);

• banda: 0 – 2 MHz.

Principalul neajuns: fiabilitate redusă, din cauza suspensiei pe benzi „fără cuplu” (4), ceea ce îl recomandă ca aparat staţionar nu portabil.

5.1.5 Voltmetre electrostatice de tip generator

Spre deosebire de voltmetrele electrostatice clasice (VES) bazate pe efecte electromagnetice ale tensiunii de măsurat (U_x), voltmetrele electrostatice de tip generator (VEG) măsoară U_x prin intermediul câmpului electric (E_x) produs de către obiectul de măsură (OM) de înaltă tensiune, ceea ce permite izolarea galvanică faţă de OM şi deci protecţia operatorului împotriva electrocutării. În plus, la egală tensiune nominală (U_xn), voltmetrele generatoare au gabarit mult mai redus decât al VES (sub 10%), adică sunt mult mai portabile şi mai comode în exploatare, însă nu sunt potrivite pentru măsurarea tensiunilor alternative, decât cu anumite modificări.

Ca principiu, voltmetrele generatoare se bazează pe modularea lui E_x, operaţie din care rezultă un curent, de unde şi denumirea de voltmetre generatoare, iar după felul modulatorului pot fi cu condensator vibrant sau de tip morişcă. Dintre acestea, cel mai utilizat în prezent, este ultimul.

5.1.5.1. Prezentarea unui voltmetru electrostatic generator

La voltmetrele electrostatice generatoare (VEG) tip morişcă, modularea lui E_x se face cu ajutorul unui rotor cu palete, de unde şi denumirea de “morişcă”, denumire provenită din limbile germană (Feldmühle) şi engleză (Field Mill).

a) Schema de principiu

Schema de principiu a unui VEG, în varianta Kleinwächter uşor modificată este prezentată în fig 5.15, a. Se poate observa că aparatul se compune dintr-un modulator, un condiţionor de semnal, un detector sensibil la fază şi un instrument de ieşire, întocmai ca la voltmetrele electronice de c.c. cu modulare-demodulare.

Modulator de câmp (MC)

Tensiunea de măsurat (U_x) se aplică pe un electrodt izolat (1) care împreună cu un electrod rotitor (2) (pus la masă cu o perie P, şi rotit de un motor M) şi cu un electrod fix (3) (de aceeaşi formă cu 2), formează modulatorul MC. Acesta generează un curent alternativ (i) care închizându-se pe o rezistenţă (R) dă naştere unei tensiuni alternative:

8

U_r

8

9

U_x

, (5.28)

în care U (valoarea efectivă) e definită de expresia:

, (5.29)

ce reprezintă ecuaţia de funcţionare a modulatorului de câmp (MC).

În expresia (5.28), , reprezintă defazajul (0 sau ) a tensiunii generate în raport cu o tensiune de referinţa (U_r), iar =2f pulsaţia, unde:

f=np/60 , (5.30)

reprezintă frecvenţa expresiei în care n este turaţia motorului M iar p numărul de palete al rotorului (2, fig 5.15, b), egal cu cel al statorului (3). În cazul prezentat, turaţia n=2000 rot/min, p=6 şi deci f=200 Hz. În fine, termenii b şi d din (5.29) sunt parametri legaţi de capacitatea electrică dintre electrozii 1 şi 3.

Construcţie

Electrodul indus (3) şi cel de gardă (4) sunt realizaţi din cupru placat pe suport de sticlotextolit (5), iar inelul de gardă (6, fig 5.16, a) este din aluminiu şi este prevăzut cu o coroană ce serveşte la fixarea capului

voltmetric (CT, fig. 5.17, a). Rezistenţa de izolaţie a canalului (7) care separa electrozii 3 şi 4 (fig 5.16, b) şi care hotărăşte rezistenţa de intrare (R_v) a voltmetrului generator este întărită cu lac siliconic asigurând R_v>10¹⁴.

Precizie

Eroarea de bază a modulatorului, m₁/m₁ (eroare ce include instabilitatea turaţiei n/n şi eroarea de neliniaritate a caracteristicii de transfer) este sub 0,2-0,5% c.s., adică MC are precizie suficient de bună pentru un senzor de câmp electric.

În fig 5.16, c se prezintă caracteristica de transfer a lui MC, ridicată experimental; se observă că are o liniaritate foarte bună.

Condiţionorul de semnal (DT/A).Este format dintr-un divizor de tensiune (DT) şi un amplificator (A) şi are rolul de a prescrie gamele (U_xn ) în aşa fel încât : U₂ < 50 mV c.s. (condiţie impusă de către DSF). Blocul DT/A răspunde la ecuaţia:

U₂=m₂U, (5.31)

în care m₂ este parametrul de gamă (scară).

Dup cum s-a arătat într-un capitol anterior eroarea de bază a unui

bloc DT/A de construcţie obişnuită (cost scăzut) este m₂/m₂<0,2-0,5% c.s.

Detectorul sensibil la fază (DSF)

Are rolul de a detecta polaritatea lui U_x şi, în cazul de faţă, e de tip multiplicator XR2208. Dacă valoarea efectivă U_r a tensiunii de referinţa depăşeşte 60 mV, răspunsul acestuia devine independent de U_r şi satisface ecuaţia (m₃=const):

U₃=m₃U₂ (U₂ <50mV , U_r>60mV). (5.32)

Tensiunea de referinţă, U_r, este generată tot cu ajutorul electrodului rotitor (2) (realizat din material feromagnetic). Acesta, împreună cu o bobina (8) înfăşurată pe un magnet permanent (9) formează un fel de alternator (fig 5.15, b) care dă la ieşire o tensiune de forma:

(U_r= ct.). (5.33)

La circuitele DSF de tipul utilizat în schemă (fig. 5.19), în condiţiile unei alinieri îngrijite, eroarea de bază, m₃/m₃ este sub 1% c.s.

Voltmetrul numeric (VN)

Voltmetru de faţă cu tensiunea nominală U_3n=300mV, răspunde la ecuaţia (m₄=const):

N=m₄U₃ , (5.34)

în care N reprezintă numărul afişat.

Eroarea de bază a unui astfel de voltmetru numeric VN, m₄/m₄ este sub 0,2% c.s.

b) Ecuaţia de funcţionare a VEG

Din asocierea expresiilor 5.29, 5.31, 5.32, 5.34 rezultă relaţia:

N=mU_x , (5.35)

ce reprezintă ecuaţia de funcţionare a voltmetrului analizat, în care

m=m₁m₂m₃m₄=const . (5.36)

Eroarea de bază

Din (5.36) rezultă că eroarea de bază a VEG poate fi exprimată în forma:

, (5.37)

expresie din care, ţinând cont de valorile componentelor sale menţionate mai înainte, rezultă: m/m=1,5-2,2 % c.s. ceea ce arată că voltmetrul analizat se poate încadra în clasa de precizie 2,5.

c) Forma de bază a VEG

Forma constructiva tipică a VEG-urilor portabile alimentate la baterii este cea de pistol. Forma VEG-ului analizat este prezentată în fig. 5.17, unde CP reprezintă corpul principal al aparatului, iar CT capul de măsură a tensiunii.

Corpul principal (10)

Este realizat din ţeavă de aluminiu şi găzduieşte modulatorul de

câmp precum şi schema electronică. La partea inferioară a CP-ului se află

tocul bateriilor de alimentare (11), care formează şi mânerul “pistolului”, precum şi borna de masă (12), bornă care (cel mai adesea) trebuie legată la pământ. Pe partea frontală (fig 5.17, b) se află fereastra voltmetrului numeric (VN), butoanele de comandă: pornit/oprit (P/O), control baterii (BAT) şi butoanele comutatorului de game: 0,03-0,3-3-30 kV.

Capul de măsură a tensiunii (CT)

Are rolul de a converti tensiunea U_x în câmp electric, după ecuaţia:

E_x=U_x/d (kV/m), (5.38)

în care d este distanţa dintre electrodul statoric (3) şi cel de înaltă tensiune (1). Acesta din urmă este susţinut pe un izolator din teflon (13) care închide etanş mufa (14) din aluminiu, mufă ce serveşte şi la fixarea CT-ului pe CP (fig 5.17, a). Dacă se demontează CT de pe CP aparatul

rămâne ca măsurător de câmp electric (E_x).

d) Parametri de calitate

Voltmetrul electrostatic generator prezentat are următorii parametri de calitate:

• game: 30, 300, 3kV şi 30kV;

• precizie:  2,5% c.s.;

• rezistenţa de intrare: R_v=10¹⁵;

• tensiunea de alimentare: 6V (4xR14);

• consum: max. 50mA;

• dimensiuni: 220x80 mm (orizontal) x 160mm (vertical);

• masă: 1,3 Kg (cu baterii).

5.1.5.2 Măsurări ce pot fi efectuate cu VEG

a) Măsurarea tensiunilor de c.c.

Din datele de mai înainte rezultă că VEG-ul are 3 calităţi preţioase: R_v mare, izolare galvanică şi domeniu de măsură larg.

Rezistenţa de intrare foarte mare R_v=10¹⁵ permite măsurarea lui U_x pe surse de înaltă tensiune şi cu mare rezistenţă internă (R­_G=10⁹-10¹³) cum sunt, de exemplu, sursele de postaccelerare de la tuburile cinescoape sau situaţiile de măsurare a căderii de tensiune pe rezistenţe foarte mari. Tot datorită lui R_v foarte mare, VEG-ul poate fi folosit şi la măsurări de tensiuni în tehnologia electrostatică.

Izolarea galvanică faţă de obiectul de măsură, asigură o protecţie totală împotriva electrocutării operatorului. În plus, datorită izolării galvanice, aparatul permite măsurarea tensiunii pe obiecte flotante (fără unct de masă), cum ar fi, de exemplu măsurarea căderii de tensiune pe o rezistenţă de protecţie la ionizatoarele alimentate în c.c.

Domeniu de măsură foarte larg: 30 V-30 kV c.s., adică 60 dB în timp ce la voltmetrele electrostatice clasice acesta nu depăşeşte 20dB. Datorită acestei calităţi, VEG-ul poate fi utilizat, pe gama de 30 V, la măsurări electronice (pH-metre, etc.) oferind o soluţie mai simplă şi mai sigură decât utilizarea electrometrelor electronice clasice.

Observaţie

Cu unele mici modificări (creşterea turaţiei, adaptarea detecţiei) VEG-ul poate fi utilizat şi la măsurarea tensiunilor în c.a. de joasă frecvenţă (sub 50-100 Hz) [10], cu avantajul că oferă o impedanţă de intrare (Z_v) foarte mare.

b) Alte posibilităţi de măsurare

Măsurarea unor rezistenţe (R_x) foarte mari (până la 10¹⁴), prin metoda legii lui Ohm, sau prin metoda descărcării condensatorului.

Măsurarea curenţilor foarte mici. Pe gama cea mai mică (30 V în cazul de faţă), VEG-ul poate fi utilizat la măsurarea curenţilor foarte mici (10^-9-10^-10 A), prin metoda legii lui Ohm. Soluţia este, tehnologic şi economic, mult mai avantajoasă decât cea oferită de electrometrul clasic.

Măsurarea intensităţii câmpului electrostatic. Dacă se demontează capul voltmetric aparatul poate fi utilizat la măsurarea lui E_x în domeniul 1-1000 kV/m c.s., prin intermediul relaţiei (5.38).

De asemenea, prin intermediul lui E_x poate fi utilizat şi la măsurarea sarcinii electrice. Ambele probleme vor fi prezentate într-un capitol viitor.

5.1.6 Kilovoltmetrul de precizie cu amplificator de sarcină

Pentru cerinţe de calibrare, tensiunea înaltă trebuie măsurată cu o precizie mai bună ca 0,5-1%. O asemenea precizie la măsurarea lui Ux se poate atinge cu unele voltmetre electrostatice, ca de exemplu, cele produse de către firma TETEX-Zürich (clasa 0,2-0,5), însă astfel de voltmetre se găsesc din ce în ce mai rar şi ca urmare metrologia electronică a căutat noi soluţii. Una dintre acestea o constituie voltmetrul cu amplificator de sarcină.

Schema de principiu

Schema de principiu a unui astfel de voltmetru este prezentată în fig 5.18. Condensatoarele C₁ şi C₂ (C₂>>C₁) sunt de bună calitate, iar amplificatorul operaţional (AO) este de tipul cu impedanţă mare de intrare (A 740). Rezistenţa R nu are rol metrologic ci serveşte numai la limitarea curentului de încărcare şi a celui de descărcare, limitare necesară pentru protejarea comutatorului K.

Funcţionare

C₂ fiind descărcat complet (U₂=0) se pune K pe poziţia a, situaţie în care C₁ se încarcă cu sarcina q_x=C₁U_x . Apoi se comută K pe poziţia b, situaţie în care q_x este transferată lui C₂ şi deci: q_x=C₂U₂=C₁U_x, relaţie din care rezultă ecuaţia de funcţionare a amplificatorului de sarcină:

. (5.39)

Asociind acum (5.39) cu ecuaţia de funcţionare a voltmetrului numeric: N=m₂U₂ se obţine ecuaţia de funcţionare a kilovoltmetrului:

N=mU_x, (5.40)

în care N este numărul afişat, iar

m=m₁m₂ (5.41)

este sensibilitatea acestuia.

Limite de măsură. Pentru C₁=100 pF, C₂=1 F şi U_2n=2 V rezultă tensiunea nominală U=20 kV. Tensiuni nominale mai mici se pot obţine prin creşterea lui C₁, iar mai mari prin creşterea lui C₂ în acord cu (5.39).

Precizie

Din (5.41) rezultă că eroarea de bază a kilovoltmetrului (m/m) este:

, (5.42)

relaţie din care m₂/m₂ reprezintă eroarea de bază a lui VN. Considerând că acesta este de tip 7106 (m₂/m₂=0,2% c.s.), iar C₁/C₁=C₂/C₂=0,1% (valori uşor de obţinut în practică) rezultă că m/m=0,1+0,1+0,2=0,4% c.s., ceea ce arată că acest kilovoltmetru se încadrează în clasa 0,5 mult mai bună decât la kilovoltmetrele electrostatice obişnuite (c=1,5-2,5).

5.2 Măsurarea tensiunilor înalte de c.a.

Măsurarea tensiunilor variabile în timp este sensibil mai complicată decât cea a tensiunilor continui, atât din cauză că apar noi parametri (forma de undă, frecvenţă, fază) cât şi din cauză că influenţa impurităţii componentelor precum şi cea a cuplajelor parazite (capacitiv, inductiv etc.) se manifestă mult mai puternic. Ca aparate de măsură la joasă şi medie tensiune (0,2-20kV) se folosesc multimetrele numerice echipate cu sonde pentru valorile efectivă, medie şi de vârf. În medie şi înaltă tensiune se folosesc divizoare de înaltă tensiune asociate cu multimetre numerice sau cu osciloscoape catodice, precum şi voltmetre electrostatice.

5.2.1 Forme de undă utilizate în tehnica tensiunilor înalte

În tehnica tensiunilor înalte (TTI) se folosesc două forme principale de tensiune: sinusoidală şi impulsională.

a) Tensiunea sinusoidală

La tensiunea sinusoidală (fig 5.19, a), există 3 parametri de bază care pot fi măsuraţi: valoarea de vârf (U_V), valoarea medie (U_med) şi valoarea efectivă (U), parametri legaţi prin relaţii cunoscute:

; U=1,11U_med. (5.43)

Dintre aceste 3 valori, pentru tehnica tensiunilor înalte prezintă

importanţă:

- valoarea de vârf (U_v), deoarece de aceasta depinde străpungerea electrică a izolaţiei (aer, dielectric), străpungere caracterizată prin rigiditatea dielectrică, E­_str (kV/m), parametru important al oricărei izolaţii electrice. De exemplu la aer, E_str=1kV/mm, iar la polietilenă: E_str=30kV/mm.

- valoarea efectivă (U), deoarece este singurul parametru metrologic de tensiune trasabil (aliniabil) în c.c., adică la etaloanele de tensiune. Ca parametru de timp, evident, se utilizează perioada (T) şi frecvenţa f=1/T.

b) Tensiuni impulsionale. Impulsurile respective de înaltă tensiune (fig 5.19, b) se utilizează la radar precum şi la testarea unor componente electronice. La astfel de tensiuni parametrul de amplitudine măsurabil este valoarea de
vârf, iar ca parametri de timp se măsoară durata impulsului () şi frecvenţa de repetiţie F=1/T.

Impulsul singular este impulsul cel mai utilizat la testarea izolaţiei electrice la cabluri, transformatoare, întrerupătoare etc. De asemenea, este utilizat şi la testarea rezistenţelor electronice la descărcări electrostatice, domeniu de mare interes pentru industria electronică actuală. La impulsurile singulare se măsoară valoarea de vârf precum şi parametrii de timp: timpul de creştere (t_c), de descreştere (t_d) şi durata totală (DT). Cum informaţiile despre obiectul testat sunt conţinute în modul de deformare a impulsului la ieşire, evident, aparatul de măsură cel mai potrivit este osciloscopul catodic, asociat cu un divizor de tensiune de c.a. sau un traductor Kerr.

5.2.2 Dispozitive şi aparate pentru măsurarea tensiunilor înalte de c.a.

Ca şi în c.c. şi la măsurarea tensiunilor înalte de c.a. se utilizează divizoare de tensiune, senzori electrooptici şi voltmetre electrostatice.

a) Divizoare de înaltă tensiune

Se utilizează divizoare capacitive şi de tip RC compensate în frecvenţă.

Divizoare capacitive

Acestea (fig 5.20, a) prezintă avantajul că raportul de divizare:

(5.44)

este independent de frecvenţă. Se construiesc în geometrie coaxială, cu dielectric aer sau gaz sub presiune şi au borna de intrare ca în fig.5.4. Se construiesc şi în geometrie plan paralelă cu garda activă ca în fig 5.20, b; aici se observă că inelul de gardă este menţinut la potenţialul electrodului central, cu ajutorul unui AO în repetor de tensiune.

Z₁=R₁+

Z₂=R₂+

Divizoare RC compensate în frecvenţă

Ca şi în cazul divizoarelor RC de joasă tensiune şi aici condiţia de

compensare în frecvenţă este:

R₁C₁=R₂C₂. (5.45)

În fig.5.20, c se prezintă schema unui divizor RC de înaltă tensiune compensat în frecvenţă. Acesta este format din n celule de tip RC, dintre care (n-1) înseriate formează impedanţa Z₁, iar ultima celulă formează impedanţa de ieşire Z₂. Cele (n-1) celule identice fiind înseriate rezultă ca: şi cum se obţine raportul de divizare:

şi ţinând cont de (5.45) se ajunge la expresia :

(5.46)

care arată că raportul de divizare este independent de frecvenţă.

b) Senzori voltmetrici şi voltmetre

După cum s-a arătat în 5.1.3. atât senzorii cu efecte electrooptice (Kerr şi Pockels) cât şi senzorii voltmetrici cu fibre optice pot fi utilizaţi şi la măsurarea tensiunilor înalte de c.a. De asemenea, toate tipurile de voltmetre electrostatice prezentate în 5.1.4. pot fi utilizate şi la măsurarea tensiunilor înalte de c.a.

5.2.3 Măsurarea parametrilor de undă

După cum s-a arătat mai înainte, dintre parametrii U_med, U şi U_v, în tehnica tensiunilor înalte (TTI) prezintă interes în special valoarea efectivă U şi valoarea de vârf U_v.

5.2.3.1 Măsurarea valorilor efective (U) la înaltă tensiune

Măsurarea lui U se poate face indirect, cu ajutorul divizoarelor de tensiune având la ieşire (U₂) un voltmetru electronic de valoare efectivă cu termocuplu sau cu termistoare.

Măsurarea lui U se poate face şi direct, cu ajutorul voltmetrelor

electrostatice clasice, deoarece acestea răspund la valoarea efectivă a

tensiunii.

În fine, U mai poate fi măsurat tot în mod direct şi cu ajutorul senzorilor tip Kerr sau cu ajutorul senzorului cu fibre optice, deoarece ambele au răspunsul dependent de valoarea efectivă.

5.2.3.2. Măsurarea valorii de vârf (U_v)

Tensiunea de vârf ( în sinusoidal) poate fi măsurată cu:

• divizoare de tensiune (capacitive sau RC compensate) prevăzute la ieşire cu detector de vârf sau, cel mai adesea, cu un osciloscop;

• eclatoare cu sfere;

• voltmetre electronice de vârf.

a) Eclatorul cu sfere

Eclatorul cu sfere este cel mai simplu şi mai economic dispozitiv de măsură a valorii de vârf şi de aceea foarte răspândit în laboratoarele de TTI. Este standardizat şi recunoscut de către CEI.

Schema de principiu a unui eclator cu sfere este prezentată în fig 5.21, a. Electrodul de tensiune (1) este fix, iar electrodul de masa (2) poate fi deplasat pe batiul (3). Înainte de aplicarea lui U_x, electrodul (2) se deplasează la distanţa (d) maximă faţă de (1); după aplicarea lui U_x, se micşorează d până când între 1 şi 2 apare o scânteie, situaţie în care pe scara (4) se citeşte tensiunea de străpungere (U_str).

Valoarea da vârf a lui U_x se determină cu relaţia:

U_xv=mU_{x str} , (5.47)

în care m este un factor de corecţie ce ţine seama de influenţa temperaturii (t în C) şi presiunii (p în milibari) ale aerului din încăperea

respectivă, influenţă cuantificată prin relaţia [10]:

, (5.48)

al cărei grafic este prezentat în fig.5.21, b. Din punct de vedere fizic, m reprezintă densitatea relativă a aerului la umiditate normală.

Precizia măsurării

Dacă: 0,05D<d<0,5D şi se fac cel puţin 3 citiri, eroarea asupra lui U_xv este în jur de 5-7%, valoarea satisfăcătoare pentru mai multe cazuri din practică.

b) Voltmetre electronice de vârf

Din mulţimea voltmetrelor destinate măsurării lui U_xv la tensiuni înalte [10 40,43], în domeniul electronicii s-a impus voltmetrul electronic de vârf cu divizor încorporat.

Schema de principiu a unui voltmetru electronic de vârf de înaltă tensiune cu divizor încorporat este prezentată în fig.5.22, unde C₁ şi C₂ formează divizorul capacitiv de tensiune, iar VEV este un voltmetru de vârf de joasă tensiune cu detector de derivaţie.

Ecuaţia de funcţionare a VEV-ului este de forma (m₁=const):

=m₁U₂, (5.49)

de unde ţinând cont de (5.44), scrisă în forma (C₁<<C₂):

, (5.50)

ce reprezintă ecuaţia de funcţionare a acestui tip de voltmetru.

Dacă C₁ şi C₂ sunt în vid (sau într-un gaz sub presiune) gabaritul divizorului de tensiune se reduce la dimensiuni compatibile cu cele ale unui voltmetru electronic, chiar la tensiuni de ordinul zecilor de kV.

Exemplu de realizare

Prezentăm kilovoltmetrul de înaltă frecvenţă al firmei JENNINGS model J-1005 (fig. 5.23). Se observă că este echipat cu două divizoare capacitive de tensiune în vid, ceea ce permite măsurarea unor tensiuni de vârf de până la 50kV faţă de masă şi până la 100kV între intrările celor două divizoare (măsurări pe obiecte flotante). Comutarea divizoarelor pentru măsurări faţă de masă sau flotante se face cu ajutorul comutatorul K₁, iar schimbarea gamelor cu ajutorul lui K₂. Pornirea şi oprirea precum şi selectarea alimentării (acumulator sau reţea) se face de la K₃. Pe panou se mai observă: instrumentul de afişare (IA), borna de ieşire pentru osciloscop (OC, tensiune U_xv/600) şi borna de masă. Borna OC poate fi utilizată numai când se fac măsurări faţă de M. În fine, este de remarcat şi forma sferică a bornelor de intrare pentru U_X, forma menită a limita efectul corona.

Ecuaţia de funcţionare

Ecuaţia =f(U_xv) este de forma (5.50), adică lineară.

Divizoarele DT+ şi DT- reduc tensiunea de măsurat (U_x) în raportul (C₁=1,4pF, C₂₌825pF):

(C₁<<C₂) . (5.51)

Performanţe

Kilovoltmetru J-1005 permite măsurarea valorilor de vârf U_xv+ şi U_xv- până la 50kV şi a valorii vârf (U_xvv) până la 100kV, în banda 10Hz - 30MHz, cu o precizie de bază de 3% c.s.

Alte posibilităţi

• măsurarea sumei şi diferenţei a două tensiuni recurente,

măsurare utilă la determinarea indicelui de modulaţie în amplitudine;

• măsurarea amplitudinilor pozitivă şi negativă la trenurile de impulsuri, etc.

Caracteristici de bază

• game:2,5 – 5 – 10 – 25 – 50 kV tensiuni de vârf şi 5 – 10 – 20 – 50 – 100 kV vârf la vârf;

• bandă de frecvenţă: 10 Hz – 30 MHz;

• precizie de bază: 3 % din gamă;

• impedanţa de intrare: 10¹² /4 pF (intrările A sau B faţă de masă);

• rejecţia de mod comun (numai în regim simetric): 40 dB;

• ieşirea pentru osciloscop: tensiune U­_x/600, impedanţă de ieşire 800 pF;

• alimentare autonomă la 2,5V (acumulator) sau reţea (220V consum sub 10W);

• dimensiuni: 407mm, 270230mm;

• masa: 6 kg.

5.3 Măsurarea curenţilor la tensiuni mari

Pentru măsurarea curenţilor la înaltă tensiune se folosesc, de regulă, dispozitive şi senzori care permit izolarea galvanică faţă de conductorul prin care circulă curentul de măsurat (I_x), cum sunt transformatoarelor de curent (închise sau de tip cleşte), de joasă sau de înaltă frecvenţă, apoi senzorii cu efect Hall şi cu efect Faraday.

5.3.1. Transformatoare de curent

a) Transformatoare de curent cu miez din tole

Sunt cele mai precise şi mai utilizate dispozitive pentru măsurarea lui I_x în reţelele de joasă, medie şi înaltă tensiune. La acestea problema critică o constituie izolaţia dintre primar şi secundar. Pentru tensiuni medii (6, 30, 60 kV) izolaţia e construită din răşini epoxidice, iar la tensiuni înalte (110, 220, 400 kV) din ulei.

Principalul neajuns al acestor transformatoare îl constituie gabaritul şi masa, la care trebuie adăugat şi viteza de răspuns foarte redusă.

b) Transformatoare de curent de înaltă frecvenţă

Se construiesc pe tor de ferită, tor bucşat cu un izolator din teflon şi ecranat electromagnetic. Conductorul purtător de curent, care constituie primarul, este trecut prin bucşa de teflon.

Performanţe:

• curenţi nominali: 10, 30, 100 A;

• tensiuni: 1 – 30 kV;

• banda: 50 kHz – 50 MHz.

5.3.2. Senzori de curent magnetooptici

Se bazează pe efectul Faraday şi prezintă avantajul că permit măsurarea curentului (I_x) fără contact cu firul de transport de înaltă tensiune, iar distanţa de izolare faţă de acest fir poate fi de ordinul metrilor (1-10 m), adică mult mai mare decât în cazul ampermetrelor cu efect Hall. Exista două variante de bază: cu bobină sau cu bază şi se mai numesc şi senzori Faraday.

a) Senzori Faraday cu bobină

Schema de principiu a unui astfel de senzor este foarte asemănătoare cu cea a senzorului de tensiune cu efect Kerr, aşa cum se arată în fig.5.24, unde CF reprezintă celula Faraday. Aceasta este un cilindru din material transparent şi izotrop pe care se află bobina parcursă de curentul de măsurat (I_x), bobină ce produce un câmp magnetic având inducţia B paralelă cu axul optic al cilindrului.

Efectul Faraday

Un corp transparent şi izotrop aflat într-un câmp magnetic ce are inducţia B paralelă cu axul optic al corpului respectiv, provoacă o rotire a planului de polarizare al unei raze de lumină monocromatică polarizată liniar (_p), cu un unghi (m₃=const):

=lB=m­₃B, (5.52)

relaţie în care  este constanta lui Verdet (în rad/Tm), l lungimea drumului optic (m), iar B inducţia (T). Sensul de rotire depinde de sensul vectorului inducţiei B, dar este independent de sensul razei de lumină.

Funcţionare

Curentul măsurat (I_x), trecând prin bobina celulei Faraday (CF), produce un câmp magnetic a cărui inducţie (m₄=const):

B=m₄I_x , (5.53)

este coliniară cu direcţia lui _. Acest câmp magnetic roteşte planul de polarizare al razei _, după (5.52), relaţie care asociată cu (5.4), (5.6) şi (5.53) conduce la expresia (m=const):

U₂=mI_x ; m=m₁m₂m₃m_4, (5.54)

ce reprezintă ecuaţia de funcţionare a senzorului Faraday.

Observaţie:

După cum s-a menţionat la relaţia (5.52), polaritatea tensiunii U₂ depinde numai de sensul lui I_x şi este independentă de sensul razei de lumină _.

Parametri de calitate

1. Distanţa de izolare

Este principalul parametru de calitate al senzorului Faraday. Este asigurată de către fibra optică (FO) şi poate fi d=3 – 10 m şi chiar mai mare, asigurând astfel o izolare foarte bună, sigură şi ieftină.

2. Limita superioară de măsură (I_xn)

Este hotărâtă de către diametrul conductorului bobinei, care din motive tehnologice, trebuie să fie sub 5 – 8 mm diametru, ceea ce conduce, admiţând o densitate de curent de 2A/mm², la I_xn<10 – 30 A, adică acest tip de ampermetru este pentru curenţi mici.

3. Domenii de frecvenţe

Efectul Faraday, ca şi efectul Kerr, este, practic, fără inerţie, ceea ce ar permite lucrul până la frecvenţe foarte înalte. În realitate, limita superioară a benzii la acest tip de senzor se opreşte la ordinul sutelor de kHz, din cauza bobinei CF.

4. Precizie

Se poate arăta că eroarea de bază a senzorului Faraday cu bobină (fig.5.27):

, (5.55)

este în jur de 1,5 – 2,5 % c.s., ceea ce asigură o precizie suficient de bună pentru măsurări obişnuite de curenţi la înaltă tensiune, insuficientă pentru operaţii de etalonare. O precizie sensibil mai bună se poate obţine prin metoda compensării cu urmărire, metodă utilizată, de exemplu, şi la cleştele ampermetric cu efect Hall.

b) Ampermetru Faraday pe principiu compensării

Schema de principiu a unui astfel de ampermetru este prezentată în fig.5.25. Se observă că are două celule Faraday (CF_x şi CF₂) formate pe acelaşi miez optic (MO). Prima celula (CF_x) dezvoltă tensiunea magnetomotoare n₁I_x şi care roteşte planul de polarizare cu unghiul _x, iar CF₂ tensiunea magnetomotoare n₂I₂ care roteşte planul de polarizare cu unghiul ₂ de semn contrar. Echilibrul se stabileşte când _x+₂=0, ceea ce înseamnă ca _x=-₂ şi deci n₁I_x =n₂I₂, relaţie în care n₁ şi n₂ reprezintă numărul de spire ale bobinelor CF_x şi respectiv CF₂. Această relaţie poate fi scrisă în forma:

, (5.56)

care arată că se pot măsura curenţi I_x de ordinul zecilor de A cu ajutorul unui curent de compensare I₂ de ordinul zecilor de mA (n₂/n₁=1000).

Însă principalul avantaj al aparatului îl constituie precizia de măsurare mult mai bună, deoarece aici eroarea de bază se reduce, practic, la eroarea de bază a milivoltmetrului (mA). Această eroare este 1 – 1,5 % c.s. în cazul mA analogic şi coboară la 0,2 – 0,3 % în cazul unui mA

numeric. O precizie de 0,5 % este suficient de bună pentru operaţii de etalonare sau verificare a senzorilor Faraday direcţi.

Observaţie

Expresia (5.56) reprezintă şi ecuaţia de funcţionare a unui transformator ideal de curent. La o astfel de ecuaţie se poate ajunge şi pe calea compensării electronice a curentului de magnetizare al transformatoarelor de curent cu tole. Însă faţă de această soluţie, ampermetrul Faraday compensat prezintă avantajul de a oferi şi o izolare galvanică mult mai bună, mai simplă şi mai sigură decât la transformatoarele de curent.

c) Senzori Faraday cu bară

Constructiv forma acestora se aseamănă cu a transformatorului de curent de înaltă frecvenţă la care primarul îl constituie conductorul ce transportă curentul măsurat.

Schema de principiu a unui astfel de senzor este prezentată în fig.5.26, a unde Cu reprezintă bara de cupru prin care trece curentul de măsurat (I_x), IFO este o înfăşurare din fibră optică, iar restul notaţiilor au semnificaţia din fig.5.24.

Datorită conductorului tip bară curentul nominal (I_xn) poate fi mult mai mare decât la cel cu bobină, ceea ce constituie principalul avantaj al acestui tip de senzor.

Funcţionare

I_x creează în jurul conductorului Cu un câmp magnetic (H_x) a cărui inducţie la nivelul axei fibrei optice (FO) are expresia:

, (5.57)

în care r este raza IFO. Vectorul lui B_x fiind tangent la axa fibrei optice, roteşte planul de polarizare al razei de lumină (_p), cu un unghi dat de relaţia (5.52) care aici devine:

=2rnB_x=q₂B_x, (5.58)

relaţie în care n este numărul de spire al IFO, iar 2rn=l lungimea totală a fibrei optice înfăşurate. Asociind această relaţie cu (5.4), (5.6) şi (5.57) se obţine expresia:

U₂=qI_x q=m₁m₂q₁q₂ , (5.59)

ce reprezintă ecuaţia de funcţionare a acestui tip de senzor.

Parametri de calitate

Calităţile senzorului cu bară sunt cam aceleaşi cu cele ale senzorului cu bobină cu excepţia curentului nominal (I_xn) care este mai mare, 1-10 kA.

Exemplu de realizare

Senzorul SIEMENS cu următorii parametri:

curent nominal I_xn: 0,2 – 2 kA, bandă de frecvenţă: 0 – 3 kHz, precizie: 0,5 % c.s.

Acest tip de senzor înlocuieşte competitiv transformatoarele de curent din reţelele de înaltă tensiune (220 – 400 kV) de c.c. şi de c.a..

Tags: curenţilor electrici, măsurarea curenţilor, tensiunilor, curenţilor, ăsurarea, intensităţilor, electrici

---

• DE SOCIALE FUNCTIE VAN KINDEROPVANG VISIETEKST PLATFORM VERNIEUWING KINDEROPVANG
• INVESTIGATION OF THE ROLE OF THE P110 ISOFORM OF
• J E D I L N I K
• B2B SALGS – OG LEVERINGSBETINGELSER (SKABELON) VEJLEDNING TIL UDFYLDELSE
• LP0142012INEN “ADQUISICIÓN DE REACTIVOS PARA LABORATORIO DE INMUNOHISTOQUIMICA” BASES
• Infomrs Institute for Operations Research and the Management Science
• SETTLE COURT ROLLS [111] COURT LEET AND VIEW OF
• INFECTION PREVENTION AND CONTROL (IPC) PRACTICE GUIDANCE NOTE
• 05 HARMONOGRAM SKŁADANIA DOKUMENTÓW DOT DZIAŁALNOŚCI BADAWCZEJ W
• A SIMPLE WAY TO IMPROVE ANATOMICAL MAPPING OF FUNCTIONAL
• ZAEP 154 BAHÍA BOTÁNICA CABO GEOLOGY TIERRA VICTORIA LISTA
• HAYVANLARI KORUMA GÜNÜ AÇIKLAMA 1 CANLILAR DÜNYASI INSANLARDAN
• ¿QUÉ ES LA PSICOLOGÍA? GEORGES CANGUILHEM LA PREGUNTA ¿QUÉ
• SZKOŁA PODSTAWOWA IM KARDYNAŁA STEFANA WYSZYŃSKIEGO W WIERZCHOWISKU SERDECZNIE
• ČESKÁ GEOLOGICKÁ SLUŽBA ERROR PAGE WE ARE SORRY
• INTELLIGENT ‘AH’VE PASSED’ ‘YOU’LL GET OUT USIN
• 9 ANMELDUNG ZU DEN WEITERFÜHRENDEN SCHULEN FÜR DAS SCHULJAHR
• CATFORD REVISITED ANDREW CHESTERMAN [2012H IN DIANA SANTOS KRISTER
• CURRICULUM VITAE LIČNI PODACI PREZIMEIME LUKAČEVIĆ SELMA ADDRESA ULŠEHIDSKA
• NAME STUDENT EXPERIENCE AND ACTIVITIES (SEA) UNIT – RULES
• LIST OF WGITA COUNTRIES WHOSE CITIZENS REQUIRE VISAS TO
• TESIS LEIDAS EN LA ULPGC EN EL CURSO 20052006
• LANDSTINGSSTYRELSEN DEN 2 DECEMBER 2010 LANDSTINGSDIREKTÖRENS RAPPORT DNR
• SYLABUS PRZEDMIOTU MODUŁU KSZTAŁCENIA NAZWA PRZEDMIOTUMODUŁU KSZTAŁCENIA ZACHOWANIA
• LNK` RBJBJSS8LL) HHHHHCCCHI+CC++HH+HH+H 7R|!0) 7T8CWE QCCCCCC) ++++D
• KARTA PRACY DO DOŚWIADCZEŃ UWAGA POLA Z POLECENIAMI
• Reforma%20de%20la%20PAC
• VOCAZIONI NUOVA SERIE ANNO II LUGLIO AGOSTO 1985
• NOTIFICAÇÃO EXTRAJUDICIAL PARA RETOMADA DE IMÓVEL LOCADO (RETOMADA
• DISASTER RISK REDUCTION REPORT CONSIDERATIONS IN RANKING HAZARDS WE

• MUNICÍPIO DE SÃO BERNARDO DO CAMPO SECRETARIA DE OBRAS
• PG 6 OF 8 OPERACIÓN DE FINANCIAMIENTO NO REEMBOLSABLE
• 10112006 “THE FINNISH COMPANY OF THE YEAR IN
• ACTA SOBRE LA NO CELEBRACIÓN DE ELECCIONES DDÑA EN
• OKOŁO ROKU 1948 W LISEWIE KOŚCIELNYM POWSTAJE LUDOWY ZESPÓŁ
• NICEJSKA KLASIFIKACIJA – 10 IZDAJA SLOVENSKI PREVOD KLASIFIKACIJE JE
• NO DU REGISTRE DU VOYAGEUR MALADIE À VIRUS
• FFV50APPLES PAGE 17 ANNEX NONEXHAUSTIVE LIST OF APPLE VARIETIES
• COLEGIUL TEHNIC DECEBAL PROF LILIANA IONESCU PLANIFICARE ANUALĂ A
• CURRICULUM VITAE APELLIDO Y NOMBRE CENTRES PAULO MARCELO NACIONALIDAD
• HTML XMLNSHTTPWWWW3ORG1999XHTMLHEADTITLEHYUNDAINEWSCOM HYUNDAI RECEIVES THREE ALG RESIDUAL VALUE
• KASTAMONU ÜNİVERSİTESİ REKTÖRLÜĞÜ ÖĞRENCİ TOPLULUKLARININ KURULMASI ÇALIŞMASI VE DÜZENLENMESİNE
• NORDENBERGSSKOLAN 20131213 2 (2) OLOFSTRÖM ÖNSKEMÅL OM APLPLATS NAMNVECKAOR
• VOILIERS DE BRETAGNE YANN ROGER CAPITAINE DU LOCH MONA
• SIXTH GRADE SCIENCE LAURA BRENNER COW EYE DISSECTION DEMONSTRATION
• OTAXML AND OTAREPORT COMPONENTS AUTHOR DATE VERSION STATUS ALEXEI
• UNAVAILABLE SPECIAL FUND RECEIPT ACCOUNT TRANSFERS WEDNESDAY FEBRUARY 24
• OBRAZAC DEO1 DNEVNA EVIDENCIJA O OTPADU PROIZVOĐAČA OTPADA1 GODINA
• N OTAS RELATIVAS AL DECRETO FORAL POR EL QUE
• DEPARTAMENTO DE FRANCÉS CURSO 20202021 NOM DE L´