| CATEGORII DOCUMENTE |
| Aeronautica | Comunicatii | Electronica electricitate | Merceologie | Tehnica mecanica |
In acest capitol se vor prezenta unele dispozitive si aparate pentru masurarea tensiunilor si intensitatilor curentilor electrici la valori mari ale acestora. Deoarece masurarea curentului se reduce, adesea, la masurarea unei tensiuni, se va acorda un spatiu mai insemnat acesteia din urma.
Masurarea tensiunilor continui
Intalnim tensiuni continui inalte (kV, zeci de kV) la tuburile cinescoape (postaccelerare), la megohmmetrele de inalta tensiune, precum si la generatoarele electrostatice de uz tehnologic (vopsire, plusare, filtrarea gazelor de cos, etc.). La masurarea unei asemenea tensiuni se utilizeaza voltmetre electronice asociate cu divizoare de tensiune sau cu senzori optoelectronici precum si voltmetre electrostatice.
5.1.1 Notiuni generale
Se va examina mai intai influenta impedantei interne ZG a surselor de inalta tensiune continua.
a) Eroarea datorata efectului de sarcina
Pe langa erorile de aparat, la masurarea unei tensiuni Ux la o sursa cu impedanta ZG mare (fig.5.1), poate aparea si o eroare sistematica de forma (abstractie facand de semn):
es= ZG / ZV, (5.1)
relatie in care ZV reprezinta impedanta de intrare la dispozitivul de masurat a lui UX (voltmetru, divizor de tensiune). Aceasta eroare se mai numeste eroare de efect de sarcina sau simplu : efect de sarcina.
Pentru ca sa fie sub 1% , din (5.1) rezulta ca:
½ZV½³ ½ZG½ (5.2)
conditie care in cazul masurarii tensiunilor de c.c. devine:
RV ³ 100RG . (5.2')
b) Clasificarea dispozitivelor voltmetrice dupa tensiunea nominala
Prin tensiunea nominal Uxn a unui dispozitiv voltmetric (divizor de tensiune, voltmetru) se intelege valoarea lui Ux la cap de scara (c.s.). In privinta lui Uxn in prezent este acceptata urmatoarea clasificare :
joasa tensiune: 100 - 1000 V;
medie tensiune: 5 - 30 kV;
inalta tensiune: 50 - 300 kV;
foarte inalta tensiune : peste 300 kV
In cele ce urmeaza se au in vedere numai divizoarele (si voltmetrele) pentru medie si inalta tensiune.
5.1.2. Reductoare de medie tensiune
La masurarea unor astfel de tensiuni (1-50 kV) se utilizeaza sonde rezistive si 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 masurarea tensiunilor de ordinul kV sau zecilor de kV, pentru o iesire de ordinul voltilor.
Schema unei astfel de sonde este aratata in fig 5.2. O atentie deosebita trebuie acordata rezistentei de izolatie la maner, pentru a evita pericolul electrocutarii. Rezistenta trebuie sa suporte dublul tensiunii nominale 2Uxn=40kV, ceea ce inseamna ca distanta dintre terminale trebuie sa fie minim 10-12 cm. Rezistenta R2 trebuie sa fie mica in comparatie cu rezistenta de intrare la voltmetrul asociat (tipic 10MW), pentru ca raportul de divizare a sondei sa ramana independent de voltmetrul utilizat. O fractiune din R2 trebuie sa fie reglabila pentru a permite ajustarea raportului de divizare la etalonarea sondei.
Sonda 80K-40 Philips are urmatorii parametri de calitate:
tensiuni - Ux: 1-40 kV, R1=1000MW, raport de divizare 1/1000, precizie de baza
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 electronica, ceea ce constituie un mare avantaj cand e necesara schimbarea automata a gamelor (voltmetre cu mP, placi de achizitie).
Schema de principiu a unui astfel de reductor de tensiune continua e prezentata in fig.5.3, a, unde K este un comutator electronic (tranzistor de inalta tensiune), iar FTJ filtru trece jos.
relatie in care T reprezinta perioada de repetitie a semnalului de comanda y(t). Deoarece Ux poate fi variat continuu si precis prin modificarea lui q, dispozitivul se mai numeste si divizor programabil sau potentiometru electronic.
c) Divizoare pentru tensiuni inalte
Aceste divizoare au particularitatea ca odata cu cresterea tensiunii de intrare la divizor, creste si posibilitatea aparitiei efectului corona precum si a curentilor de fuga pe corpul rezistoarelor componente.
Pentru limitarea efectului corona, bornele de intrare se fac in forma de sfera (fig.5.4, a), sub forma toroidala (fig.5.4, b) sau forma de disc gros cu margini rotunjite (fig.5.4, c).
b)
De asemenea, rezistoarele componente ale divizorului se fac de valori egale intre ele (fig.5.5, a), tipic R = 10 MW, la un curent I = 10 mA, ceea ce asigura o cadere de tensiune de 100 V. Limitarea la 100 V e necesara pentru a evita amorsarea corona. Rezulta ca pentru Uxn=10kV sunt necesare 100 rezistoare, iar pentru 100kV de zece ori mai multe. Sirul de rezistoare se introduce intr-un tub de polietilena care este in forma de elice. Elicele sunt plasate intr-un tub de plexiglas (fig 5.5, b), ce are rol de protectie mecanica, impotriva umiditatii si prafului. La tensiuni nominale de peste 30kV, cilindrul se umple cu ulei de transformator. Iesirea (U2) se face, de regula, printr-un amplificator de izolare (A) cu impedanta de intrare de 100-1000 MW, care satisface conditia (5.2). In functie de calitatea rezistoarelor R (imbatranire, coeficient de temperatura), precizia obtinuta nu este mai buna de 2-3%.
O precizie mai buna (tipic 1%) se obtine utilizand rezistoare cu
pelicula metalica, prevazute cu ecran de garda (fig 5.5, c), insa divizorul
rezulta mai complicat si mai scump (numar dublu de rezistoare R, EG).
R1<1000MW
nu permit separarea galvanica intre obiectul de inalta tensiune si
bornele de iesire (U2), ceea ce prezinta un pericol pentru operatorul uman.
Pentru evitarea acestor neajunsuri, unii constructori au inceput a inlocui divizoarele rezistive cu senzori optoelectronici (Kerr, etc).
5.1.3 Senzori de inalta tensiune optoelectronici
Senzorii optoelectronici prezinta avantajul, ca ofera izolare galvanica totala fata de obiectul de masura de inalta tensiune, ceea ce asigura o foarte buna protectie impotriva electrocutarii operatorului uman. Din randul acestor senzori se vor prezenta pe scurt senzorii bazati pe efecte electrooptice (cu efect Kerr si cu efect Pockels) precum si un senzor cu fibre optice.
Se stie ca o raza de lumina monocromatica se propaga sub forma de unde electromagnetice plane si ca o astfel de unda are doua componente: electrica si magnetica care oscileaza in plane perpendiculare intre ele (fig. 5.6, a), directia de propagare fiind data de catre vectorul Poyting [11,19]:
.
Planul in care oscileaza E se numeste plan de oscilatie, iar cel in care oscileaza H plan de polarizare. In fenomenele optice componenta H nu este luata in considerare. La lumina naturala (LN) exista mai multe plane de oscilatie (fig. 5.6, b), in timp ce la lumina polarizata exista un singur plan de oscilatie (fig.5.6, c). Planul de oscilatie poate fi rotit cu un unghi b, cu ajutorul unui camp electric (efect Kerr, Pockels) sau cu ajutorul unui camp magnetic (efect Faraday). Prin masurarea lui b se obtin informatii asupra intensitatii campurilor respective. Masurarea lui b se face cu ajutorul unui dispozitiv optic polarizor-analizor (fig 5.6, d). Polarizorul (P), primind lumina naturala (LN) selecteaza din aceasta un singur plan de oscilatie, furnizand astfel o raza de lumina polarizata (LP). Daca analizorul A este in antifaza cu P (adica rotit la 900 fata de P), LP nu poate trece dincolo de A si, deci, la iesirea acestuia, fluxul luminos (fx) prin intermediul caruia se masoara b este 0. Relatia dintre aceste marimi este de forma (m1=const.):
fx=m1 b (5.4)
Efectul Kerr consta in rotirea cu un unghi b, a planului de oscilatie al unei raze de lumina polarizata liniar, rotire cu ajutorul unui camp electric perpendicular pe directia razei respective. Acest fenomen este descris de ecuatia [10]:
(rad), (5.5)
in care l este lungimea celulei Kerr, iar K constanta lui Kerr. Marimea lui Ex este legata de tensiunea de masurat prin relatia cunoscuta:
Ex = Ux / d ,
in care d este distanta dintre electrozii celulei (plan-paraleli).
Schema de principiu a unui senzor Kerr este prezentata in fig 5.7. Aici DL este o sursa
monocromatica (dioda laser), P si A dispozitivul polarizor-analizor, CK celula
Kerr (cilindru de plexiglas umplut cu nitrobenzen), LC lentila de concentrare,
FO fibra optica, iar FD fotodioda.
Ecuatia de functionare. In absenta lui Ux, fluxul fx care iese din analizor (A) este zero, deoarece P si A sunt in antifaza. Dupa aplicarea lui Ux planul de polarizare al luminii incepe a se roti dupa ecuatia (5.5), ceea ce conduce
la aparitia lui fx care creste dupa relatia (5.4). Acest fx este transportat la FD prin intermediul unei fibre optice (FO) cu lungimea de 1.5 m care
constituie o izolare electrica sigura si de buna calitate. Ajungand la FD, fluxul fx este convertit intr-o tensiune (m2=const.), dupa relatia:
U2=m2 fx (5.6)
cu ajutorul unui convertor curent-tensiune cu AO. Aceasta relatie in asociere cu (5.4) si (5.5) poate fi scrisa sub forma:
; 
, (5.7)
ce reprezinta ecuatia de functionare a senzorului de tensiune cu efect Kerr si in care q este o constanta a acestuia.
Senzorul Kerr permite masurarea tensiunilor continui (si alternative) pana la cateva sute de kV, cu precizie 0,5-1% c.s., sensibil mai buna decat in cazul divizoarelor de tensiune. Insa este mai complicat si mai scump si, in plus, nu permite detectarea polaritatii lui Ux.
Din (5.7) rezulta ca senzorul Kerr poate functiona si in c.a., deoarece are raspunsul dependent de patratul tensiunii de masurat (Ux), ceea ce constituie un avantaj, mai ales la masurarea valorii efective la inalta tensiune si inalta frecventa (pana la 500MHz ).
De asemenea, senzorul Kerr poate fi utilizat si la masurarea impulsurilor de inalta tensiune ( zeci de kV ) cu timp de crestere tC>1 ns, adica foarte rapide, domeniu unde aproape ca e de neinlocuit, deocamdata. Evident la masurarea impulsurilor, ca aparat de afisare se utilizeaza un osciloscop de mare viteza tC < 0,5 ns.
3. Datorita timpului de raspuns optic foarte scurt (sub 1 ns), senzorul Kerr poate fi utilizat si la modularea de mare viteza a campului Ex.
4. Celula Kerr poate fi si cu gaze (tipic CO2) sub presiune, situatie in care tensiunea nominala (Uxn) poate atinge 1MV [10], insa constructia este gabaritica (cilindrul cu CO2) si cu greutate mare (sute de kg).
b) Senzor voltmetric cu efect Pockels
Acest tip de senzor functioneaza asemanator cu senzorul Kerr si prezinta avantajul ca are raspunsul liniar.
Schema de principiu a unui senzor voltmetric Pockels este reprezentata in fig.5.8 unde CP este celula Pockels, ET electrozi transparenti, iar celelalte notatii au semnificatia din fig.5.7. Se observa ca aici, raza de lumina polarizata (fP) are aceeasi directie ca si campul electric Ex=Ux/l. Celula Pockels (CP) este formata dintr-un cristal uni-ax.
Raspunsul CP este de forma [10]:
b=p1 Ex
de unde, tinand cont de expresiile (5.4) si (5.6) se obtine relatia:
b=p Ux ; 
, (5.9)
ce reprezinta ecuatia de functionare a senzorului Pockels unde p este o constanta a acestuia in care l si p1 sunt ale CP.
Senzorul voltmetric Pockels ofera cam aceeasi parametri de
calitate ca si senzorul Kerr in ceea ce priveste precizia (1%) si viteza de
raspuns, cu dezavantajul ca tensiunea nominala (Uxn) este mai mica
(zeci de kV).
c) Senzor voltmetric cu fibre optice
Senzorii voltmetrici Kerr si Pockels ofera o buna precizie si o mare viteza de raspuns, insa prezinta neajunsul ca au cost ridicat si constructie complicata si gabaritica. O solutie mai ieftina si mai simpla o poate constitui senzorul de fibre optice.
Senzorul voltmetric bazat pe fibre optice, descris in continuare, are la baza un senzor electrostatic de tip electroscop (SET), asociat cu un senzor optic de deplasare (SOD) cu fibre optice (fig.5.9, a). In fig.5.9, b este prezentata schema functionala a senzorului voltmetric cu fibre optice.
: a) schema de principiu;
b) schema functionala; c) detaliu; d) caracteristica optica de transfer
Senzorul electrostatic cu atractie (SET)
Senzorul este montat pe un suport rigid din sticlotextolit (1), plasat intr-un recipient (2), umplut cu ulei (3). Pe suport este incastrata la un capat o lama arcuitoare subtire din bronz fosforos (4), conectata la pamant, la al carei capat liber se afla un electrod semisferic (5). Acesta impreuna cu electrodul fix (6) formeaza un senzor (mecanism de masura) de tip electroscop. Sub actiunea tensiunii de masurat (Ux) electrodul (5) este atras spre (6) cu o forta
(5.10)
si se deplaseaza catre acesta pe distanta foarte mica, x = k2· F1 , adica:
(5.10')
relatie in care k1 este o constanta ce depinde de geometria electrozilor (5) si (6), iar k2 un parametru al lamei (4) depinzand de modulul de elasticitate al acesteia.
Senzorul optic de deplasare (SOD)
Are rolul de a masura deplasarea x si este alcatuit din doua bucati din aceeasi fibra optica, dintre care una scurta (7) ce este fixata pe lama arcuitoare (4), si alta lunga (8) avand un capat fixat pe suportul (1) si celalalt capat scos in afara recipientului cu ulei, pe o lungime de 1-5 m, (9), lungime ce formeaza distanta de izolare intocmai ca la senzorii Kerr si Pockels (fig 5.7 si 5.8). Pozitia reciproca a fibrelor (7) si (8) este astfel incat in absenta lui Ux ambele sa fie pe acelasi ax optic, iar distanta dintre capetele vecine sa fie foarte mica (10-20mm). O sursa LED trimite un flux radiant (fi) ce strabate ambele fibre (7) si (8) si care poate fi modulat, devenind (fx) prin deplasarea relativa pe distanta x a capatului liber al fibrei (7), provocata de catre atractia electrostatica Fx.
Datorita deplasarii x sectiunea de trecere (Sx, fig.5.9, c) a fluxului fi se micsoreaza, ceea ce provoaca scaderea acestuia dupa relatia evidenta:
fx fi =Sx/Si ; Si=pd2/4, (5.11)
in care Si reprezinta aria sectiunii transversale a miezului, comuna ambelor bucati de fibra optica. In fig 5.9, d se arata dependenta raportului fx fi de raportul x/d. Se observa ca pentru x/d £ fx depinde linear de x, dependenta ce poate fi exprimata in forma (k3=const.):
fx fi (1-k3 x), (5.12)
Acest fx ajungand la fotodioda (FD) da nastere unei tensiuni de forma (5.6), adica
UFD=k4 fx
care este aplicata la intrarea unui amplificator diferential (AD), impreuna cu o tensiune de referinta (Ur). Acest amplificator da la iesire o tensiune de forma (A - amplificarea):
U2=A(Ur-UFD). (5.13)
Cu potentiometrul P se regleaza Ur astfel incat Ux=0 (ceea ce inseamna x=0) tensiunea de iesire (U2) sa fie 0, conditie din care rezulta k4 fi=Ur. Substituind aceasta expresie in (5.13) si tinand cont de (5.11) se obtine in final relatia:
U2=k5 x; k5=k3 A Ur, (5.14)
ce reprezinta ecuatia de transfer a senzorului optic (SOD).
Asociind expresia (5.10) cu (5.14) se obtine relatia:
k=k1 k2 k3 A Ur , (5.15)
ce reprezinta ecuatia de functionare a senzorului voltmetric cu fibre optice.
Performante
Senzorul prezentat are cam aceiasi parametri de calitate (limite de masura, precizie, distanta de izolare) ca si senzorii electrooptici (Kerr si Pockels), fiind in acelasi timp mai simplu si mai ieftin, insa are viteza de raspuns foarte redusa (inertie mecanica) si cere o tehnologie mai pretentioasa la alinierea optica.
Observatie
In realitate, k3 depinde si de modulul de elasticitate al fibrei optice (7); insa la tensiuni mari (50-100 kV c.s.), Fx este destul de mare pentru a permite neglijarea acestuia in raport cu modulul de elasticitate al lamei (4). La tensiuni joase (kV) se poate renunta la lama (4), lasand numai fibra (7) pe al carui capat mobil se fixeaza electrodul (5). In acest caz fibra (7) trebuie sa fie metalizata si legata la pamant (la fel ca lama 4).
d) Avantajele si dezavantajele senzorilor voltmetrici optoelectronici
Avantajul esential al acestor senzori in raport cu divizoarele de tensiune il constituie izolarea galvanica prin fibra optica a aparaturii de iesire si deci a operatorului, ceea ce permite o protectie sigura impotriva electrocutarii. Insa prezinta neajunsul ca au fiabilitate mai scazuta (componentele electronice) si uneori costul mai ridicat.
5.1.4 Voltmetre electrostatice
Fata de divizoare de tensiune si senzori voltmetrici, voltmetrele electrostatice prezinta avantajele:
indica direct tensiunea de masurat fara a mai necesita instrument de afisare;
lucreaza in circuit deschis, deci ofera o impedanta de intrare foarte mare (ZI=1012-1014 W in c.c.), ceea ce permite satisfacerea conditiei (5.2') pentru aproape toate cazurile de masurari pe obiecte cu RG foarte mare.
Dar si dezavantajele:
gabarit mare, deci, portabilitate redusa;
nu permit izolare galvanica fata de obiectul de masura.
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
In varianta clasica voltmetrele electrostatice de medie tensiune cu ac indicator sunt aproape identice cu cele de joasa tensiune si au acelasi mare neajuns: o singura tensiune nominala (gama). De aceea in cele ce urmeaza prezentam numai o varianta ce permite schimbarea gamelor sub tensiune.
Existenta mai multor tensiuni nominale (Uxn) permite acoperirea unui domeniu mai larg de masura cu unul si acelasi aparat, ceea ce permite ieftinirea operatiei de masurare. La voltmetrele electrostatice, din motive legate de energetica mecanismului de masura, schimbarea gamelor se face, de regula, prin modificarea distantei dintre electrozii activi.
Schema functionala a unui voltmetru electrostatic clasic este aratata in fig.5.10, a, in care l este electrodul mobil, 2 electrodul fix, 3 resortul antagonist, iar 4 acul indicator.
Ecuatia de functionare a acestui voltmetru este de forma:
(5.16)
in care D este constanta resortului 3, iar k un parametru geometric ce depinde de distanta (d) dintre electrozii activi (fig. 510, b) si este de forma (m=const.): k=m/d. La cap de scara (a an, Uxn=Uxn) relatia (5.16) poate fi transcrisa in forma:
; 
(5.17)
din care rezulta ca principala cale de modificare a tensiunii
nominale Uxn o constituie modificarea distantei dintre electrozii
activi. Pe acest principiu se bazeaza voltmetrele cu schimbarea gamelor sub
tensiune, prezentate in cele ce urmeaza.
Observatii
Uxn/d £ 0,5 kV/mm. (5.18)
O valoare pentru d mai mare decat cea din (5.18) (pentru mai multa siguranta impotriva strapungerii spatiului dintre electrozii activi 1 si 2 nu e recomandata deoarece conduce la un cuplu activ insuficient.
Chiar si in situatia respectarii conditiei (5.18) poate aparea strapungerea intre 1 si 2, datorita unor eventuale varfuri de tensiune mai mari decat Uxn (tranzitii). Pentru limitarea curentului de scurtcircuit intr-o
atare situatie se inseriaza o rezistenta de protectie (Rp), componenta ce exista la orice voltmetru electrostatic (fig 5.10, a)
In fig 5.11, a se arata schema functionala a unui kilovoltmetru cu 3 game: 2,5-5-10kV care pot fi schimbate in timpul lucrului, fara a mai fi necesara deconectarea aparatului de la tensiunea de masurat (Ux). Comutarea intre cele 3 game de tensiune (sensibilitati) ale kilovoltmetrului se realizeaza prin modificarea distantei dintre electrozii activi (d), cu ajutorul unui sistem de 3 electrozi de tensiune plan-paraleli (1,1',1'') fixati pe un ax electroizolant (2), cu o bucsa de bronz (3). La rotirea acestui ax, cu un buton (4) electrozii mentionati se pot afla succesiv in zona de lucru a electrodului mobil (5), realizand succesiv distantele: d, d' si d'' (d<d'<d'') corespunzatoare gamelor Uxn=2,5kV, Uxn=5kV, Uxn=10kV. Aceste game sunt legate de distantele respective prin relatii de forma (5.17).
In fig 5.11,b se arata forma exterioara a acestui kilovoltmetru, unde 6 este borna de masa, 7 borna de tensiune, 10 izolator, iar 11 carcasa (aluminiu 2mm grosime).
Parametri de calitate:
game (Uxn) comutabile sub tensiune: 2,5-5-10kV;
precizie: 2,5% c.s;
banda de frecvente: 0-2 MHz;
dimensiuni: 350x220x130 mm, masa 2Kg.
b) Voltmetru electrostatic cu indicator optic si schimbarea gamelor sub tensiune
Utilizarea indicatorului optic in locul celui cu ac la voltmetrele electrostatice permite o mai eficienta ecranare a organului mobil, precum si o anumita imbunatatire a preciziei (organ mobil pe benzi de intindere ). De asemenea permite si o mai usoara schimbare a gamelor de masura.
Neajunsul voltmetrelor clasice cu indicator optic: gamele de masura nu pot fi schimbate sub tensiune.
Pentru exemplificare utilizam kilovoltmetrul rusesc C-96 (7,15,30 kV)
La acesta schimbare gamelor se face in felul urmator: se deconecteaza Ux, se alege gama (Uxn) necesara precum si scara corespunzatoare pentru afisarea acesteia, dupa care se reconecteaza Ux pentru continuarea masurarii. Acest mod de schimbare a gamelor
prezinta doua neajunsuri importante:
necesitatea deconectarii aparatului pe timpul schimbarii gamelor, ceea ce inseamna viteza de lucru coborata, precum si posibilitatea aparitiei unor erori suplimentare;
pericol de electrocutare pentru operator (acesta e obligat sa puna mana pe electrodul de tensiune).
La voltmetrul prezentat in cele ce urmeaza ambele neajunsuri dispar deoarece schimbare gamelor se face fara a deconecta aparatul, iar manevrarea electrozilor se face cu un ax electroizolant prevazut cu buton.
In
fig 5.12, a se arata schema functionala a unui kilovoltmetru de 7,5-15-30 kV,
cu schimbarea gamelor sub tensiune si indicator optic. Ca si in cazul
kilovoltmetrului cu ac indicator (fig 5.11) schimbarea gamelor (Uxn)
se face prin modificarea distantei (D) dintre electrozii activi, cu ajutorul
unui sistem cu trei electrozi de tip ciuperca (1, 1', 1''), fixati pe un ax
metalic (2) si pusi la tensiunea de masurat (Ux) prin intermediul
unei perii (3). Electrodul mobil (4), impreuna cu oglinda (5) sunt fixate
pe un ax (6) care la randu-i este fixat pe sasiu
cu bentite de intindere (7) ce dau cuplul antagonist si fac legatura la masa a
organului mobil.
Oglinda (5) primeste raza de lumina de la lampa L, pe care o reflecta pe scara gradata translucida (8), formand spotul indicator (9).
Ca si la kilovoltmetru din fig 5.11, sunt necesare scari gradate separate pentru fiecare dintre cele 3 game. Aceste scari: 8, 8', 8'' (fig 5.12, c) sunt aduse in zona spotului (9) cu ajutorul unei came (nefigurate)
fixata pe partea electroizolanta (2') a axului (2) parte de care este fixat si butonul comutatorului de game (10).
In fig. 5.12, b se prezinta vederea din fata a kilovoltmetrului
din fig. 5.12, a
Performante:
game de tensiune: 7,5-15-30 kV;
precizie: 2,5% cs;
banda: 0-5 MHz;
dimensiuni: 600x280x300 mm; masa 5Kg.
5.1.4.2 Voltmetre electrostatice de inalta tensiune (50-300 kV)
a) Voltmetre electrostatice clasice
Din multimea acestora [3] vom prezenta numai tipul cu atractie, deoarece este cel mai raspandit in laboratoarele de tehnica tensiunilor inalte.
Schema unui voltmetru electrostatic de tipul cu atractie este prezentata in fig 5.13, a. Tensiunea de masurat (Ux) este aplicata unui electrod fix (1), montat pe un suport electroizolant (2), care exercita o forta de atractie:
(5.19)
asupra unui electrod mobil (3) prevazut cu inel de garda (4). Datorita fortei F1, electrodul mobil se deplaseaza catre (1) pe o distanta foarte mica x; acesteia i se opune forta:
F2=k2 x (5.20)
ce ia nastere in resortul antagonist (5), iar echilibrul se stabileste cand F1=F2, conditie din care rezulta relatia:
(5.21)
Deplasarea x este convertita intr-o deviatie (a) a unui dispozitiv de afisare cu ac indicator (6), cu ajutorul unui mecanism cu parghii, intre a si x existand relatia evidenta:
a=k3 x , (5.22)
in care k3 este o constanta a acestui mecanism. Sistemul de electrozi 3-4 si mecanismul 5-6 sunt plasate intr-o cutie ecran (7), montata pe un suport (8), fixat pe un batiu (9) ca si sistemul 1-2.
Din asocierea expresiei (5.21) cu (5.22) rezulta relatia:
, (5.23)
ce reprezinta ecuatia de functionare a voltmetrului analizat, in care k e un parametru al acestuia.
Demonstratia expresiei (5.19)
In fig. 5.13, b se arata schema de principiu a voltmetrului din fig. 5.13, a. Datorita tensiunii de masurat (Ux) in condensatorul cu aer C13 se inmagazineaza energia:
(S- suprafata electrodului 3, e - permitivitatea aerului), care da nastere fortei de atractie:
(x<<d), (5.24)
expresie identica cu (5.19) daca se utilizeaza substitutia:
k1=e S/2d2 (5.25)
Schimbarea gamelor (Uxn)
Tinand cont de (5.25), ecuatia de functionare (5.23) poate fi transcrisa in forma:
(5.26)
care pentru a an devine:
(5.27)
ceea ce arata ca schimbarea lui Uxn se poate face prin modificarea distantei (d) dintre electrozii activi (1 si 3). Operatia se realizeaza prin deplasarea suportului (2) spre electrodul (3), pozitia lui (2) pe batiu (9) fiind precizata cu ajutorul unui index (10) si a unei rigle gradate (11) fixata pe batiu (9). Evident distanta (d) trebuie sa respecte si conditia (5.18).
Atentie ! La schimbarea gamelor unui astfel de voltmetru trebuie luate precautiile mentionate la observatia anterioara la voltmetrul C-96.
Kilovoltmetrul rusesc C-100 cu urmatoarele performante:
game (Uxn): 25 - 50 - 75 kV;
precizie : 1,5 % c.s.;
banda: 0 - 500 kHz.
b) Voltmetrul electrostatic de inalta tensiune cu afisare la distanta
Instalatiile de masura de inalta tensiune sunt plasate intr-un perimetru imprejmuit cu gard din plasa de sarma, cu rol de protectie a operatorului uman impotriva electrocutarii. In aceasta situatie voltmetrul electrostatic se afla la o distanta relativ mare fata de operator, ceea ce poate cauza erori de citire importante. Voltmetrul prezentat in cele ce urmeaza inlatura acest neajuns, deoarece informatia despre (Ux) este transmisa in exteriorul perimetrului imprejmuit si afisata pe un instrument separat.
Schema unui voltmetrul electrostatic cu afisare la distanta este prezentata in fig 5.14. Se observa ca este de tip comparator c.a./c.c. electrostatic/magnetoelectric cu echilibrare automata. Spre deosebire de mecanismul pe benzi de intindere, aici axul organului mobil (3) este sustinut pe benzi (4) de tipul fara cuplu, iar cuplul antagonist este creat de catre bobina (B) a unui mecanism magnetoelectric, fixata pe acelasi ax cu electrodul mobil (2). Acesta din urma este prevazut cu o aripioara (5) in care e practicata o mica fanta (6) ce permite trecerea unui flux luminos (f), trimis de o lampa cu lentila (L) spre doua fotorezistente (7,8), montate intr-o punte impreuna cu doua rezistente (9,10), puncte care in absenta lui Ux se afla in echilibru.
Functionare. La aplicarea tensiunii de masurat Ux ia nastere cuplul
direct (k1= const): 
,
care tinde sa roteasca organul mobil, ceea ce face ca fotorezistentele sa nu
mai fie iluminate in mod egal si ca urmare puntea se echilibreaza, iar curentul
de dezechilibru (I) este trimis in bobina (B) care produce cuplul antagonist (k2=const),
M2=k2 I. Organul
mobil se echilibreaza cand M1=M2, deci:
relatie ce poate fi transcrisa in forma:
,
ce reprezinta ecuatia de transfer c.a./c.c. a comparatorului.
Curentul I este trecut printr-o rezistenta calibrata (R), iar caderea de tensiune RI, este trecuta printr-un extractor de radical (11) ce da la iesire o tensiune (k3= const):
.
In fine, U2 este masurata cu un voltmetru numeric, VN, ce afiseaza un numar (k4=const): N=k4U2, adica:
N=k Ux 
,
relatie ce constituie ecuatia de functionare a voltmetrului prezentat.
Voltmetrul VN poate fi montat la o distanta de 10-20 m fata de carcasa voltmetrului (12), deoarece rezistenta de iesire a blocului (11), R0, poate fi aleasa astfel incat rezistenta legaturii AB, RAB, sa fie neglijabil de mica fata de R0. Rezistenta R si blocul (11) sunt plasate in interiorul carcasei (12).
Uxn=60kV (o singura gama in loc de trei: 15-30-60kV);
precizie: 0,5 % c.s. (imbunatatirea preciziei se datoreaza lui VN);
banda: 0 - 2 MHz.
Principalul neajuns: fiabilitate redusa, din cauza suspensiei pe benzi "fara cuplu" (4), ceea ce il recomanda ca aparat stationar nu portabil.
5.1.5 Voltmetre electrostatice de tip generator
Spre deosebire de voltmetrele electrostatice clasice (VES) bazate pe efecte electromagnetice ale tensiunii de masurat (Ux), voltmetrele electrostatice de tip generator (VEG) masoara Ux prin intermediul campului electric (Ex) produs de catre obiectul de masura (OM) de inalta tensiune, ceea ce permite izolarea galvanica fata de OM si deci protectia operatorului impotriva electrocutarii. In plus, la egala tensiune nominala (Uxn), voltmetrele generatoare au gabarit mult mai redus decat al VES (sub 10%), adica sunt mult mai portabile si mai comode in exploatare, insa nu sunt potrivite pentru masurarea tensiunilor alternative, decat cu anumite modificari.
Ca principiu, voltmetrele generatoare se bazeaza pe modularea lui Ex, operatie din care rezulta un curent, de unde si denumirea de voltmetre generatoare, iar dupa felul modulatorului pot fi cu condensator vibrant sau de tip morisca. Dintre acestea, cel mai utilizat in prezent, este ultimul.
5.1.5.1. Prezentarea unui voltmetru electrostatic generator
La voltmetrele electrostatice generatoare (VEG) tip morisca, modularea lui Ex se face cu ajutorul unui rotor cu palete, de unde si denumirea de "morisca", denumire provenita din limbile germana (Feldmhle) si engleza (Field Mill).
a) Schema de principiu
Schema de principiu a unui VEG, in varianta Kleinwchter usor modificata este prezentata in fig 5.15, a. Se poate observa ca aparatul se compune dintr-un modulator, un conditionor de semnal, un detector sensibil la faza si un instrument de iesire, intocmai ca la voltmetrele electronice de c.c. cu modulare-demodulare.
Modulator de camp (MC)
Tensiunea de masurat (Ux) se aplica pe un electrodt izolat (1) care impreuna cu un electrod rotitor (2) (pus la masa cu o perie P, si rotit de un motor M) si cu un electrod fix (3) (de aceeasi forma cu 2), formeaza modulatorul MC. Acesta genereaza un curent alternativ (i) care inchizandu-se pe o rezistenta (R) da nastere unei tensiuni alternative:
(5.28)
in care U (valoarea efectiva) e definita de expresia:
, (5.29)
ce reprezinta ecuatia de functionare a modulatorului de camp (MC).
In expresia (5.28), f, reprezinta defazajul (0 sau p) a tensiunii generate in raport cu o tensiune de referinta (Ur), iar W pf pulsatia, unde:
f=n p/60 , (5.30)
reprezinta frecventa expresiei in care n este turatia motorului M iar p numarul de palete al rotorului (2, fig 5.15, b), egal cu cel al statorului (3). In cazul prezentat, turatia n=2000 rot/min, p=6 si deci f=200 Hz. In fine, termenii b si d din (5.29) sunt parametri legati de capacitatea electrica dintre electrozii 1 si 3.
Electrodul indus (3) si cel de garda (4) sunt realizati din cupru placat pe suport de sticlotextolit (5), iar inelul de garda (6, fig 5.16, a) este din aluminiu si este prevazut cu o coroana ce serveste la fixarea capului
voltmetric (CT, fig. 5.17, a). Rezistenta de izolatie a canalului (7) care separa electrozii 3 si 4 (fig 5.16, b) si care hotaraste rezistenta de intrare (Rv) a voltmetrului generator este intarita cu lac siliconic asigurand Rv>1014W
Precizie
Eroarea de baza a modulatorului, Dm1/m1 (eroare ce include instabilitatea turatiei Dn/n si eroarea de neliniaritate a caracteristicii de transfer) este sub 0,2-0,5% c.s., adica MC are precizie suficient de buna pentru un senzor de camp electric.
In fig 5.16, c se prezinta caracteristica de transfer a lui MC, ridicata experimental; se observa ca are o liniaritate foarte buna.
Conditionorul de semnal (DT/A).Este format dintr-un divizor de tensiune (DT) si un amplificator (A) si are rolul de a prescrie gamele (Uxn ) in asa fel incat : U2 < 50 mV c.s. (conditie impusa de catre DSF). Blocul DT/A raspunde la ecuatia:
U2=m2 U, (5.31)
in care m2 este parametrul de gama (scara).
Dup cum s-a aratat intr-un capitol anterior eroarea de baza a unui
bloc DT/A de constructie obisnuita (cost scazut) este Dm2/m2<0,2-0,5% c.s.
Detectorul sensibil la faza (DSF)
Are rolul de a detecta polaritatea lui Ux si, in cazul de fata, e de tip multiplicator XR2208. Daca valoarea efectiva Ur a tensiunii de referinta depaseste 60 mV, raspunsul acestuia devine independent de Ur si satisface ecuatia (m3=const):
U3=m3 U2 (U2 <50mV , Ur>60mV). (5.32)
Tensiunea de referinta, Ur, este generata tot cu ajutorul electrodului rotitor (2) (realizat din material feromagnetic). Acesta, impreuna cu o bobina (8) infasurata pe un magnet permanent (9) formeaza un fel de alternator (fig 5.15, b) care da la iesire o tensiune de forma:
(Ur= ct.). (5.33)
La circuitele DSF de tipul utilizat in schema (fig. 5.19), in conditiile unei alinieri ingrijite, eroarea de baza, Dm3/m3 este sub 1% c.s.
Voltmetrul numeric (VN)
Voltmetru de fata cu tensiunea nominala U3n=300mV, raspunde la ecuatia (m4=const):
N=m4 U3 , (5.34)
in care N reprezinta numarul afisat.
Eroarea de baza a unui astfel de voltmetru numeric VN, Dm4/m4 este sub 0,2% c.s.
b) Ecuatia de functionare a VEG
Din asocierea expresiilor 5.29, 5.31, 5.32, 5.34 rezulta relatia:
N=m Ux , (5.35)
ce reprezinta ecuatia de functionare a voltmetrului analizat, in care
m=m1 m2 m3 m4=const . (5.36)
Din (5.36) rezulta ca eroarea de baza a VEG poate fi exprimata in forma:
(5.37)
expresie din care, tinand cont de valorile componentelor sale mentionate mai inainte, rezulta: Dm/m=1,5-2,2 % c.s. ceea ce arata ca voltmetrul analizat se poate incadra in clasa de precizie 2,5.
c) Forma de baza a VEG
Forma constructiva tipica a VEG-urilor portabile alimentate la baterii este cea de pistol. Forma VEG-ului analizat este prezentata in fig. 5.17, unde CP reprezinta corpul principal al aparatului, iar CT capul de masura a tensiunii.
Corpul principal (10)
Este realizat din teava de aluminiu si gazduieste modulatorul de
camp precum si schema electronica. La partea inferioara a CP-ului se afla
tocul bateriilor de alimentare (11), care formeaza si manerul "pistolului", precum si borna de masa (12), borna care (cel mai adesea) trebuie legata la pamant. Pe partea frontala (fig 5.17, b) se afla fereastra voltmetrului numeric (VN), butoanele de comanda: pornit/oprit (P/O), control baterii (BAT) si butoanele comutatorului de game: 0,03-0,3-3-30 kV.
Capul de masura a tensiunii (CT)
Are rolul de a converti tensiunea Ux in camp electric, dupa ecuatia:
Ex=Ux/d (kV/m), (5.38)
in care d este distanta dintre electrodul statoric (3) si cel de inalta tensiune (1). Acesta din urma este sustinut pe un izolator din teflon (13) care inchide etans mufa (14) din aluminiu, mufa ce serveste si la fixarea CT-ului pe CP (fig 5.17, a). Daca se demonteaza CT de pe CP aparatul
ramane ca masurator de camp electric (Ex).
d) Parametri de calitate
Voltmetrul electrostatic generator prezentat are urmatorii parametri de calitate:
game: 30, 300, 3kV si 30kV;
precizie: 2,5% c.s.;
rezistenta de intrare: Rv=1015W
tensiunea de alimentare: 6V (4xR14);
consum: max. 50mA;
dimensiuni: 220x80 mm (orizontal) x 160mm (vertical);
masa: 1,3 Kg (cu baterii).
5.1.5.2 Masurari ce pot fi efectuate cu VEG
a) Masurarea tensiunilor de c.c.
Din datele de mai inainte rezulta ca VEG-ul are 3 calitati pretioase: Rv mare, izolare galvanica si domeniu de masura larg.
Rezistenta de intrare foarte mare Rv=1015W permite masurarea lui Ux pe surse de inalta tensiune si cu mare rezistenta interna (RG=109-1013W) cum sunt, de exemplu, sursele de postaccelerare de la tuburile cinescoape sau situatiile de masurare a caderii de tensiune pe rezistente foarte mari. Tot datorita lui Rv foarte mare, VEG-ul poate fi folosit si la masurari de tensiuni in tehnologia electrostatica.
Izolarea galvanica fata de obiectul de masura, asigura o protectie totala impotriva electrocutarii operatorului. In plus, datorita izolarii galvanice, aparatul permite masurarea tensiunii pe obiecte flotante (fara unct de masa), cum ar fi, de exemplu masurarea caderii de tensiune pe o rezistenta de protectie la ionizatoarele alimentate in c.c.
Domeniu de masura foarte larg: 30 V-30 kV c.s., adica 60 dB in timp ce la voltmetrele electrostatice clasice acesta nu depaseste 20dB. Datorita acestei calitati, VEG-ul poate fi utilizat, pe gama de 30 V, la masurari electronice (pH-metre, etc.) oferind o solutie mai simpla si mai sigura decat utilizarea electrometrelor electronice clasice.
Observatie
Cu unele mici modificari (cresterea turatiei, adaptarea detectiei) VEG-ul poate fi utilizat si la masurarea tensiunilor in c.a. de joasa frecventa (sub 50-100 Hz) [10], cu avantajul ca ofera o impedanta de intrare (Zv) foarte mare.
b) Alte posibilitati de masurare
Masurarea unor rezistente (Rx) foarte mari (pana la 1014W), prin metoda legii lui Ohm, sau prin metoda descarcarii condensatorului.
Masurarea curentilor foarte mici. Pe gama cea mai mica (30 V in cazul de fata), VEG-ul poate fi utilizat la masurarea curentilor foarte mici (10-9-10-10 A), prin metoda legii lui Ohm. Solutia este, tehnologic si economic, mult mai avantajoasa decat cea oferita de electrometrul clasic.
Masurarea intensitatii campului electrostatic. Daca se demonteaza capul voltmetric aparatul poate fi utilizat la masurarea lui Ex in domeniul 1-1000 kV/m c.s., prin intermediul relatiei (5.38).
De asemenea, prin intermediul lui Ex poate fi utilizat si la masurarea sarcinii electrice. Ambele probleme vor fi prezentate intr-un capitol viitor.
5.1.6 Kilovoltmetrul de precizie cu amplificator de sarcina
Pentru cerinte de calibrare, tensiunea inalta trebuie masurata cu o precizie mai buna ca 0,5-1%. O asemenea precizie la masurarea lui Ux se poate atinge cu unele voltmetre electrostatice, ca de exemplu, cele produse de catre firma TETEX-Zrich (clasa 0,2-0,5), insa astfel de voltmetre se gasesc din ce in ce mai rar si ca urmare metrologia electronica a cautat noi solutii. Una dintre acestea o constituie voltmetrul cu amplificator de sarcina.
Schema de principiu a unui astfel de voltmetru este prezentata in fig 5.18. Condensatoarele C1 si C2 (C2>>C1) sunt de buna calitate, iar amplificatorul operational (AO) este de tipul cu impedanta mare de intrare (mA 740). Rezistenta R nu are rol metrologic ci serveste numai la limitarea curentului de incarcare si a celui de descarcare, limitare necesara pentru protejarea comutatorului K.
C2 fiind descarcat complet (U2=0) se pune K pe pozitia a, situatie in care C1 se incarca cu sarcina qx=C1Ux . Apoi se comuta K pe pozitia b, situatie in care qx este transferata lui C2 si deci: qx=C2U2=C1Ux, relatie din care rezulta ecuatia de functionare a amplificatorului de sarcina:
(5.39)
Asociind acum (5.39) cu ecuatia de functionare a voltmetrului numeric: N=m2U2 se obtine ecuatia de functionare a kilovoltmetrului:
N=m Ux, (5.40)
in care N este numarul afisat, iar
m=m1 m2 (5.41)
este sensibilitatea acestuia.
Limite de masura. Pentru C1=100 pF, C2=1 mF si U2n=2 V rezulta tensiunea nominala U=20 kV. Tensiuni nominale mai mici se pot obtine prin cresterea lui C1, iar mai mari prin cresterea lui C2 in acord cu (5.39).
Din (5.41) rezulta ca eroarea de baza a kilovoltmetrului (Dm/m) este:
(5.42)
relatie din care Dm2/m2 reprezinta eroarea de baza a lui VN. Considerand ca acesta este de tip 7106 (Dm2/m2=0,2% c.s.), iar DC1/C1=DC2/C2=0,1% (valori usor de obtinut in practica) rezulta ca Dm/m=0,1+0,1+0,2=0,4% c.s., ceea ce arata ca acest kilovoltmetru se incadreaza in clasa 0,5 mult mai buna decat la kilovoltmetrele electrostatice obisnuite (c=1,5-2,5).
5.2 Masurarea tensiunilor inalte de c.a.
Masurarea tensiunilor variabile in timp este sensibil mai complicata decat cea a tensiunilor continui, atat din cauza ca apar noi parametri (forma de unda, frecventa, faza) cat si din cauza ca influenta impuritatii componentelor precum si cea a cuplajelor parazite (capacitiv, inductiv etc.) se manifesta mult mai puternic. Ca aparate de masura la joasa si medie tensiune (0,2-20kV) se folosesc multimetrele numerice echipate cu sonde pentru valorile efectiva, medie si de varf. In medie si inalta tensiune se folosesc divizoare de inalta tensiune asociate cu multimetre numerice sau cu osciloscoape catodice, precum si voltmetre electrostatice.
5.2.1 Forme de unda utilizate in tehnica tensiunilor inalte
In tehnica tensiunilor inalte (TTI) se folosesc doua forme principale de tensiune: sinusoidala si impulsionala.
a) Tensiunea sinusoidala
La tensiunea sinusoidala (fig 5.19, a), exista 3 parametri de baza care pot fi masurati: valoarea de varf (UV), valoarea medie (Umed) si valoarea efectiva (U), parametri legati prin relatii cunoscute:
; U=1,11 Umed. (5.43)
Dintre aceste 3 valori, pentru tehnica tensiunilor inalte prezinta
importanta:
- valoarea de varf (Uv), deoarece de aceasta depinde strapungerea electrica a izolatiei (aer, dielectric), strapungere caracterizata prin rigiditatea dielectrica, Estr (kV/m), parametru important al oricarei izolatii electrice. De exemplu la aer, Estr=1kV/mm, iar la polietilena: Estr=30kV/mm.
- valoarea efectiva (U), deoarece este singurul parametru metrologic de tensiune trasabil (aliniabil) in c.c., adica la etaloanele de tensiune. Ca parametru de timp, evident, se utilizeaza perioada (T) si frecventa f=1/T.
b) Tensiuni impulsionale.
Impulsurile respective de inalta tensiune (fig 5.19,
b) se utilizeaza la radar precum si la testarea unor componente electronice. La
astfel de tensiuni parametrul de amplitudine masurabil este valoarea de
varf, iar ca parametri de
timp se masoara durata impulsului (q) si
frecventa de repetitie F=1/T.
Impulsul singular este impulsul cel mai utilizat la testarea izolatiei electrice la cabluri, transformatoare, intrerupatoare etc. De asemenea, este utilizat si la testarea rezistentelor electronice la descarcari electrostatice, domeniu de mare interes pentru industria electronica actuala. La impulsurile singulare se masoara valoarea de varf precum si parametrii de timp: timpul de crestere (tc), de descrestere (td) si durata totala (DT). Cum informatiile despre obiectul testat sunt continute in modul de deformare a impulsului la iesire, evident, aparatul de masura cel mai potrivit este osciloscopul catodic, asociat cu un divizor de tensiune de c.a. sau un traductor Kerr.
5.2.2 Dispozitive si aparate pentru masurarea tensiunilor inalte de c.a.
Ca si in c.c. si la masurarea tensiunilor inalte de c.a. se utilizeaza divizoare de tensiune, senzori electrooptici si voltmetre electrostatice.
a) Divizoare de inalta tensiune
Se utilizeaza divizoare capacitive si de tip RC compensate in frecventa.
Acestea (fig 5.20, a) prezinta avantajul ca raportul de divizare:
(5.44)
este independent de frecventa. Se construiesc in geometrie coaxiala, cu dielectric aer sau gaz sub presiune si au borna de intrare ca in fig.5.4. Se construiesc si in geometrie plan paralela cu garda activa ca in fig 5.20, b; aici se observa ca inelul de garda este mentinut la potentialul electrodului central, cu ajutorul unui AO in repetor de tensiune.
Ca si in cazul divizoarelor RC de joasa tensiune si aici conditia de
compensare in frecventa este:
R1C1=R2C2. (5.45)
In
fig.5.20, c se prezinta schema unui divizor RC de inalta tensiune compensat in
frecventa. Acesta este format din n celule de tip RC, dintre care (n-1)
inseriate formeaza impedanta Z1, iar ultima celula formeaza
impedanta de iesire Z2. Cele (n-1) celule identice fiind
inseriate rezulta ca:
si cum 
se obtine raportul de divizare:
si tinand cont de (5.45) se ajunge la expresia :
(5.46)
care arata ca raportul de divizare este independent de frecventa.
b) Senzori voltmetrici si voltmetre
Dupa cum s-a aratat in 5.1.3. atat senzorii cu efecte electrooptice (Kerr si Pockels) cat si senzorii voltmetrici cu fibre optice pot fi utilizati si la masurarea tensiunilor inalte de c.a. De asemenea, toate tipurile de voltmetre electrostatice prezentate in 5.1.4. pot fi utilizate si la masurarea tensiunilor inalte de c.a.
5.2.3 Masurarea parametrilor de unda
Dupa cum s-a aratat mai inainte, dintre parametrii Umed, U si Uv, in tehnica tensiunilor inalte (TTI) prezinta interes in special valoarea efectiva U si valoarea de varf Uv.
5.2.3.1 Masurarea valorilor efective (U) la inalta tensiune
Masurarea lui U se poate face indirect, cu ajutorul divizoarelor de tensiune avand la iesire (U2) un voltmetru electronic de valoare efectiva cu termocuplu sau cu termistoare.
Masurarea lui U se poate face si direct, cu ajutorul voltmetrelor
electrostatice clasice, deoarece acestea raspund la valoarea efectiva a
tensiunii.
In fine, U mai poate fi masurat tot in mod direct si cu ajutorul senzorilor tip Kerr sau cu ajutorul senzorului cu fibre optice, deoarece ambele au raspunsul dependent de valoarea efectiva.
5.2.3.2. Masurarea valorii de varf (Uv)
Tensiunea
de varf (
in sinusoidal) poate fi masurata cu:
divizoare de tensiune (capacitive sau RC compensate) prevazute la iesire cu detector de varf sau, cel mai adesea, cu un osciloscop;
eclatoare cu sfere;
voltmetre electronice de varf.
a) Eclatorul cu sfere
Eclatorul cu sfere este cel mai simplu si mai economic dispozitiv de masura a valorii de varf si de aceea foarte raspandit in laboratoarele de TTI. Este standardizat si recunoscut de catre CEI.
Schema de principiu a unui eclator cu sfere este prezentata in fig 5.21, a. Electrodul de tensiune (1) este fix, iar electrodul de masa (2) poate fi deplasat pe batiul (3). Inainte de aplicarea lui Ux, electrodul (2) se deplaseaza la distanta (d) maxima fata de (1); dupa aplicarea lui Ux, se micsoreaza d pana cand intre 1 si 2 apare o scanteie, situatie in care pe scara (4) se citeste tensiunea de strapungere (Ustr).
Valoarea da varf a lui Ux se determina cu relatia:
Uxv=m Ux str , (5.47)
in care m este un factor de corectie ce tine seama de influenta temperaturii (t in C) si presiunii (p in milibari) ale aerului din incaperea
respectiva, influenta cuantificata prin relatia [10]:
, (5.48)
al carei grafic este prezentat in fig.5.21, b. Din punct de vedere fizic, m reprezinta densitatea relativa a aerului la umiditate normala.
Daca: 0,05D<d<0,5D si se fac cel putin 3 citiri, eroarea asupra lui Uxv este in jur de 5-7%, valoarea satisfacatoare pentru mai multe cazuri din practica.
b) Voltmetre electronice de varf
Din multimea voltmetrelor destinate masurarii lui Uxv la tensiuni inalte [10 40,43], in domeniul electronicii s-a impus voltmetrul electronic de varf cu divizor incorporat.
Schema de principiu a unui voltmetru electronic de varf de inalta tensiune cu divizor incorporat este prezentata in fig.5.22, unde C1 si C2 formeaza divizorul capacitiv de tensiune, iar VEV este un voltmetru de varf de joasa tensiune cu detector de derivatie.
Ecuatia de functionare a VEV-ului este de forma (m1=const):
a=m1 U2, (5.49)
de unde tinand cont de (5.44), scrisa in forma (C1<<C2):
(5.50)
ce reprezinta ecuatia de functionare a acestui tip de voltmetru.
Daca C1 si C2 sunt in vid (sau intr-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.
Prezentam kilovoltmetrul de inalta frecventa al firmei JENNINGS model J-1005 (fig. 5.23). Se observa ca este echipat cu doua divizoare capacitive de tensiune in vid, ceea ce permite masurarea unor tensiuni de varf de pana la 50kV fata de masa si pana la 100kV intre intrarile celor doua divizoare (masurari pe obiecte flotante). Comutarea divizoarelor pentru masurari fata de masa sau flotante se face cu ajutorul comutatorul K1, iar schimbarea gamelor cu ajutorul lui K2. Pornirea si oprirea precum si selectarea alimentarii (acumulator sau retea) se face de la K3. Pe panou se mai observa: instrumentul de afisare (IA), borna de iesire pentru osciloscop (OC, tensiune Uxv 600) si borna de masa. Borna OC poate fi utilizata numai cand se fac masurari fata de M. In fine, este de remarcat si forma sferica a bornelor de intrare pentru UX, forma menita a limita efectul corona.
Ecuatia a=f(Uxv) este de forma (5.50), adica lineara.
Divizoarele DT+ si DT- reduc tensiunea de masurat (Ux) in raportul (C1=1,4pF, C2=825pF):
(C1<<C2)
. (5.51)
Kilovoltmetru J-1005 permite masurarea valorilor de varf Uxv+ si Uxv- pana la 50kV si a valorii varf (Uxvv) pana la 100kV, in banda 10Hz - 30MHz, cu o precizie de baza de 3% c.s.
Alte posibilitati
masurarea sumei si diferentei a doua tensiuni recurente,
masurare utila la determinarea indicelui de modulatie in amplitudine;
masurarea amplitudinilor pozitiva si negativa la trenurile de impulsuri, etc.
game:2,5 - 5 - 10 - 25 - 50 kV tensiuni de varf si 5 - 10 - 20 - 50 - 100 kV varf la varf;
banda de frecventa: 10 Hz - 30 MHz;
precizie de baza: 3 % din gama;
impedanta de intrare: 1012 W/4 pF (intrarile A sau B fata de masa);
rejectia de mod comun (numai in regim simetric): 40 dB;
iesirea pentru osciloscop: tensiune Ux/600, impedanta de iesire 800 pF;
alimentare autonoma la 2,5V (acumulator) sau retea (220V consum sub 10W);
dimensiuni: 407mm, 270 230mm;
masa: 6 kg.
5.3 Masurarea curentilor la tensiuni mari
Pentru masurarea curentilor la inalta tensiune se folosesc, de regula, dispozitive si senzori care permit izolarea galvanica fata de conductorul prin care circula curentul de masurat (Ix), cum sunt transformatoarelor de curent (inchise sau de tip cleste), de joasa sau de inalta frecventa, apoi senzorii cu efect Hall si cu efect Faraday.
5.3.1. Transformatoare de curent
a) Transformatoare de curent cu miez din tole
Sunt cele mai precise si mai utilizate dispozitive pentru masurarea lui Ix in retelele de joasa, medie si inalta tensiune. La acestea problema critica o constituie izolatia dintre primar si secundar. Pentru tensiuni medii (6, 30, 60 kV) izolatia e construita din rasini epoxidice, iar la tensiuni inalte (110, 220, 400 kV) din ulei.
Principalul neajuns al acestor transformatoare il constituie gabaritul si masa, la care trebuie adaugat si viteza de raspuns foarte redusa.
b) Transformatoare de curent de inalta frecventa
Se construiesc pe tor de ferita, tor bucsat cu un izolator din teflon si ecranat electromagnetic. Conductorul purtator de curent, care constituie primarul, este trecut prin bucsa de teflon.
Performante:
curenti nominali: 10, 30, 100 A;
tensiuni: 1 - 30 kV;
banda: 50 kHz - 50 MHz.
5.3.2. Senzori de curent magnetooptici
Se bazeaza pe efectul Faraday si prezinta avantajul ca permit masurarea curentului (Ix) fara contact cu firul de transport de inalta tensiune, iar distanta de izolare fata de acest fir poate fi de ordinul metrilor (1-10 m), adica mult mai mare decat in cazul ampermetrelor cu efect Hall. Exista doua variante de baza: cu bobina sau cu baza si se mai numesc si senzori Faraday.
a) Senzori Faraday cu bobina
Schema de principiu a unui astfel de senzor este foarte asemanatoare cu cea a senzorului de tensiune cu efect Kerr, asa cum se arata in fig.5.24, unde CF reprezinta celula Faraday. Aceasta este un cilindru din material transparent si izotrop pe care se afla bobina parcursa de curentul de masurat (Ix), bobina ce produce un camp magnetic avand inductia B paralela cu axul optic al cilindrului.
Efectul Faraday
Un corp transparent si izotrop aflat intr-un camp magnetic ce are inductia B paralela cu axul optic al corpului respectiv, provoaca o rotire a planului de polarizare al unei raze de lumina monocromatica polarizata liniar (fp), cu un unghi (m3=const):
b r l B=m3 B, (5.52)
relatie in care r este constanta lui Verdet (in rad/Tm), l lungimea drumului optic (m), iar B inductia (T). Sensul de rotire depinde de sensul vectorului inductiei B, dar este independent de sensul razei de lumina.
Curentul masurat (Ix), trecand prin bobina celulei Faraday (CF), produce un camp magnetic a carui inductie (m4=const):
B=m4 Ix , (5.53)
este coliniara cu directia lui fr. Acest camp magnetic roteste planul de polarizare al razei fr, dupa (5.52), relatie care asociata cu (5.4), (5.6) si (5.53) conduce la expresia (m=const):
U2=m Ix ; m=m1 m2 m3 m4, (5.54)
ce reprezinta ecuatia de functionare a senzorului Faraday.
Observatie
Dupa cum s-a mentionat la relatia (5.52), polaritatea tensiunii U2 depinde numai de sensul lui Ix si este independenta de sensul razei de lumina fr
Parametri de calitate
Distanta de izolare
Este principalul parametru de calitate al senzorului Faraday. Este asigurata de catre fibra optica (FO) si poate fi d=3 - 10 m si chiar mai mare, asigurand astfel o izolare foarte buna, sigura si ieftina.
Limita superioara de masura (Ixn)
Este hotarata de catre diametrul conductorului bobinei, care din motive tehnologice, trebuie sa fie sub 5 - 8 mm diametru, ceea ce conduce, admitand o densitate de curent de 2A/mm2, la Ixn<10 - 30 A, adica acest tip de ampermetru este pentru curenti mici.
Domenii de frecvente
Efectul Faraday, ca si efectul Kerr, este, practic, fara inertie, ceea ce ar permite lucrul pana la frecvente foarte inalte. In realitate, limita superioara a benzii la acest tip de senzor se opreste la ordinul sutelor de kHz, din cauza bobinei CF.
Precizie
Se poate arata ca eroarea de baza a senzorului Faraday cu bobina (fig.5.27):
(5.55)
este in jur de 1,5 - 2,5 % c.s., ceea ce asigura o precizie suficient de buna pentru masurari obisnuite de curenti la inalta tensiune, insuficienta pentru operatii de etalonare. O precizie sensibil mai buna se poate obtine prin metoda compensarii cu urmarire, metoda utilizata, de exemplu, si la clestele ampermetric cu efect Hall.
b) Ampermetru Faraday pe principiu compensarii
Schema de principiu a unui astfel de ampermetru este prezentata in fig.5.25. Se observa ca are doua celule Faraday (CFx si CF2) formate pe acelasi miez optic (MO). Prima celula (CFx) dezvolta tensiunea magnetomotoare n1Ix si care roteste planul de polarizare cu unghiul bx, iar CF2 tensiunea magnetomotoare n2I2 care roteste planul de polarizare cu unghiul b de semn contrar. Echilibrul se stabileste cand bx b =0, ceea ce inseamna ca bx b si deci n1Ix =n2I2, relatie in care n1 si n2 reprezinta numarul de spire ale bobinelor CFx si respectiv CF2. Aceasta relatie poate fi scrisa in forma:
(5.56)
care arata ca se pot masura curenti Ix de ordinul zecilor de A cu ajutorul unui curent de compensare I2 de ordinul zecilor de mA (n2/n1=1000).
Insa principalul avantaj al aparatului il constituie precizia de masurare mult mai buna, deoarece aici eroarea de baza se reduce, practic, la eroarea de baza a milivoltmetrului (mA). Aceasta eroare este 1 - 1,5 % c.s. in cazul mA analogic si coboara la 0,2 - 0,3 % in cazul unui mA
numeric. O precizie de 0,5 % este suficient de buna pentru operatii de etalonare sau verificare a senzorilor Faraday directi.
Expresia (5.56) reprezinta si ecuatia de functionare a unui transformator ideal de curent. La o astfel de ecuatie se poate ajunge si pe calea compensarii electronice a curentului de magnetizare al transformatoarelor de curent cu tole. Insa fata de aceasta solutie, ampermetrul Faraday compensat prezinta avantajul de a oferi si o izolare galvanica mult mai buna, mai simpla si mai sigura decat la transformatoarele de curent.
c) Senzori Faraday cu bara
Constructiv forma acestora se aseamana cu a transformatorului de curent de inalta frecventa la care primarul il constituie conductorul ce transporta curentul masurat.
Schema de principiu a unui astfel de senzor este prezentata in fig.5.26, a unde Cu reprezinta bara de cupru prin care trece curentul de masurat (Ix), IFO este o infasurare din fibra optica, iar restul notatiilor au semnificatia din fig.5.24.
Datorita conductorului tip bara curentul nominal (Ixn) poate fi mult mai mare decat la cel cu bobina, ceea ce constituie principalul avantaj al acestui tip de senzor.
Ix creeaza in jurul conductorului Cu un camp magnetic (Hx) a carui inductie la nivelul axei fibrei optice (FO) are expresia:
(5.57)
in care r este raza IFO. Vectorul lui Bx fiind tangent la axa fibrei optice, roteste planul de polarizare al razei de lumina (fp), cu un unghi dat de relatia (5.52) care aici devine:
b p r n r Bx=q2 Bx, (5.58)
relatie in care n este numarul de spire al IFO, iar 2p r n=l lungimea totala a fibrei optice infasurate. Asociind aceasta relatie cu (5.4), (5.6) si (5.57) se obtine expresia:
U2=q Ix q=m1 m2 q1 q2 , (5.59)
ce reprezinta ecuatia de functionare a acestui tip de senzor.
Calitatile senzorului cu bara sunt cam aceleasi cu cele ale senzorului cu bobina cu exceptia curentului nominal (Ixn) care este mai mare, 1-10 kA.
Senzorul SIEMENS cu urmatorii parametri:
curent nominal Ixn: 0,2 - 2 kA, banda de frecventa: 0 - 3 kHz, precizie: 0,5 % c.s.
Acest tip de senzor inlocuieste competitiv transformatoarele de curent din retelele de inalta tensiune (220 - 400 kV) de c.c. si de c.a..
|
Politica de confidentialitate | Termeni si conditii de utilizare |
Vizualizari: 3607
Importanta: 
Termeni si conditii de utilizare | Contact
© SCRIGROUP 2024 . All rights reserved
