Дифференциальный высоковольтный измеритель постоянного напряжения

Дифференциальный высоковольтный измеритель постоянного напряжения относится к области метрологии и электроэнергетики, а именно к области точного измерения высокого постоянного напряжения. Технический эффект заключается в том, обеспечивается проведение измерений высоких напряжений 1 кВ и более с точностью 0.05% и более. Технический результат состоит, кроме того, в том, что при этом существенно облегчается калибровка измерителя. Для достижения указанного технического эффекта разработан дифференциальный высоковольтный измеритель постоянного напряжения, содержащий стабилизатор тока, параллельно которому подключен вольтметр, последовательно соединенных стабилизирующих элементов с возможностью отключения части указанных элементов и изменения коэффициента деления, отличающийся тем, что в качестве указанных стабилизирующих элементов используются прецизионные низковольтные термостабильные опорные источники интегрального исполнения (микросхемы). Кроме того, указанные микросхемы охвачены обратной связью, выполненной на резисторах. Предлагаемое техническое решение может быть использовано при разработке государственного первичного эталона единицы электрического высокого напряжения - вольта постоянного тока от 1 кВ до 500 кВ.

Настоящая полезная модель относится к области метрологии, электроэнергетики, и предназначена для измерения с большой точностью высокого постоянного напряжения. Устройство может применяться в метрологических центрах и электротехнических лабораториях электрических сетей постоянного тока.

Известно устройство представляющее собой делитель напряжения [1], Делитель напряжения выполнен из трех пассивных элементов электрической цепи, причем первый конец первого пассивного элемента является входом делителя, второй его конец соединен с первым концом второго пассивного элемента, образуя выход делителя, второй конец второго пассивного элемента является общей точкой входа и выхода делителя, причем третий пассивный элемент одним концом связан с входом делителя, а второй его конец является дополнительным выходом делителя. Устройства этого типа не обеспечивают высокой точности измерений высокого постоянного напряжения из-за наличия масштабирующего коэффициента делителя и температурной нестабильности пассивных элементов делителя.

Известны также устройства [2] выполненные на основе дифференциального высоковольтного делителя напряжения ДВИНА-100. Устройство состоит из двух соединенных между собой блоков: высокого и низкого напряжения. Блок низкого напряжения предназначен для поддержания на постоянном уровне тока стабилизации, выделении разностного напряжения, защиты устройства от перегрузок. Блок высокого напряжения состоит из последовательно соединенных плат, на каждой из которых находятся последовательно соединенные стабилитроны. Количество последовательно включенных плат определяет предел измерения. Измерение постоянного высокого напряжения производится следующим образом. При подаче на блок высокого напряжения измеряемого напряжения, достаточного для того чтобы вся цепочка стабилитронов работала в режиме лавинного пробоя по устройству потечет ток, при этом на цепочке стабилитронов появится напряжение стабилизации, заранее определенное при калибровке. При обеспечении режима, когда измеряемое напряжение несколько больше напряжения стабилизации, на низковольтном блоке появится разностное напряжение, которое и подлежит измерению. Недостатком данного устройства является дрейф напряжения стабилизации в зависимости от величины и стабильности рабочего тока через стабилитроны при изменении температуры окружающей среды, что снижает точность проведения измерений.

Наиболее близким решением является устройство для калибровки делителей постоянного напряжения [3], содержащее вспомогательный делитель постоянного напряжения, состоящий в свою очередь из стабилизатора тока, параллельно которому подключен вольтметр, последовательно соединенных низковольтных стабилизирующих элементов (в качестве которых выбраны стабилитроны), с возможностью отключения части стабилитронов для изменения коэффициента деления. Недостаток данного устройства заключается в наличии масштабирующего коэффициента деления, а так же в необходимости тщательного подбора стабилитронов, поскольку большой разброс характеристик стабилитронов снижает точность и стабильность проведения измерений.

В основу настоящей полезной модели была положена задача разработать дифференциальный высоковольтный измеритель постоянного напряжения обеспечивающий высокую точность и стабильность проведения измерений высокого постоянного напряжения.

Поставленная цель достигается за счет того, что используется дифференциальный высоковольтный измеритель постоянного напряжения, содержащий стабилизатор тока, параллельно которому подключен вольтметр и последовательно соединенные стабилизирующие элементы, отличающийся тем, что в качестве указанных стабилизирующих элементов используются термостабильные прецизионные низковольтные опорные источники напряжения интегрального исполнения (микросхемы), и указанные микросхемы охвачены отрицательной обратной связью, выполненной на резисторах.

Кроме того, должно выполняться соотношение:

R - активное сопротивление обратной связи каждой микросхемы (Ом),

V - начальная точность выходного напряжения (%),

T - рабочий температурный диапазон (град),

D_t - температурный дрейф выходного напряжения (%/град),

V_N - номинальное выходное напряжение (В),

I_N - номинальный выходной ток (А).

На Фигуре представлено устройство дифференциального высоковольтного измерителя постоянного напряжения. Где 1 - стабилизатор тока, 2 - вольтметр, 3 - микросхемы (количество микросхем - N), 4 - резисторы, 5 - место подключения входного напряжения, 6 - точка отвода выходного напряжения, 7 - точка заземления.

Работает полезная модель следующим образом. Высокое измеряемое постоянное напряжение U_вх подается на место подключения (5), точка заземления (7) должна быть надежно заземлена. Цепочка составленная из микросхем (3) переходит в проводящее состояние, по устройству потечет ток I_ст. При этом на цепочке микросхем (3) будет падать напряжение стабилизации, U_ст предварительно измеренное при калибровке устройства. На стабилизаторе тока (1) появится разностное (дифференциальное) напряжение U _вых. Тогда измеряемое входное напряжение:

U_вх=U_ст+U_вых.

Таким образом, при проведении высоковольтных измерений необходимо измерять только небольшое напряжение U_вых, эти измерения можно провести с большой точностью, что повышает общую точность измерительного устройства. Использование в настоящей полезной модели цепочки, составленной из интегральных термостабильных источников опорного напряжения (микросхем), охваченных отрицательной обратной связью, позволяет поднять точность калибровки напряжения стабилизации и тем самым увеличить точность проведения измерений. Кроме того, использование обратной связи, выполненной на резисторах, позволяет подавить низкочастотные помехи, то есть поднять стабильность работы микросхем и тем самым, повысить точность измерения именно постоянного высокого напряжения. Выбор номиналов резисторов обратной связи в соответствии с формулой (1) позволяет подобрать коэффициент обратной связи в соответствии с номинальными параметрами микросхем и, тем самым дополнительно повысить точность и температурную стабильность измерений постоянного высокого напряжения.

При этом, первая часть слагаемого в скобках выражения (1):

(V)/(I_N/ V_N),

обеспечивает, при выполнении этого соотношения, выравнивание начального выходного напряжения всех микросхем в цепочке. А вторая часть слагаемого в скобках выражения (1):

(T*D_t)/(I_N/V_N),

обеспечивает, при выполнении этого соотношения, выравнивание выходного напряжения всех микросхем при изменении температуры окружающей среды.

Эксплуатационные испытания заявляемого устройства показали, что можно существенно увеличить точность и стабильность измерения высоковольтного постоянного напряжения. В частности, применение указанного технического решения позволяет провести работы по теме: «Создание Государственного первичного эталона единицы электрического высокого напряжения - вольта постоянного тока в диапазоне от 1 кВ до 500 кВ». Кроме того, устройство позволяет провести работы по исследованию метрологических характеристик эталонной прецизионной платы 1 кВ предназначенной для калибровки и проверки эталона методом поплатного сличения.

Источники информации:

1. Букреев Е.В., Ермоленко В.М., Кашков Г.С., Пасынков Ю.А., Порватов С.П., Делитель напряжения, патент на полезную модель 95917, приоритет от 09.03.2010.

2. Журавлев Э.Н., Мишук Т.В., Штиллерман В.С., Методические указания. Делители напряжения постоянного тока измерительные высоковольтные. Методы и средства поверки. РД 50-363-82. М., Издательство стандартов, 1983.

3. Ломтев Е.А., Нефедьев Д.И., Устройство для калибровки высоковольтных делителей постоянного напряжения, патент на изобретение 2238573, приоритет от 26.03.2003.

1. Дифференциальный высоковольтный измеритель постоянного напряжения, содержащий стабилизатор тока, параллельно которому подключен вольтметр, и последовательно соединенные стабилизирующие элементы, отличающийся тем, что в качестве указанных стабилизирующих элементов используются термостабильные прецизионные низковольтные опорные источники напряжения интегрального исполнения (микросхемы), и указанные микросхемы охвачены отрицательной обратной связью, выполненной на резисторах.

2. Дифференциальный высоковольтный измеритель постоянного напряжения по п.1, отличающийся тем, что должно выполняться соотношение

R<(V+TD_t)/(I_N/V_N), где

R - активное сопротивление обратной связи каждой микросхемы (Ом);

V - начальная точность выходного напряжения (%);

T - рабочий температурный диапазон (град);

D _t - температурный дрейф выходного напряжения (%/град);

V_N - номинальное выходное напряжение (В);

I_N - номинальный выходной ток (А).