У чисто емкостных делителей напряжения различают два принципиально разных конструктивных исполнения. У первого типа исполнения высоковольтная часть состоит из сосредоточенной емкости С1, изоляция которой рассчитана на полное напряжение, подлежащее измерению (рис. 48). Между напряжением на входе u1(t) и на выходе и2(1) существует независящее от частоты соотношение
Рис. 48. Емкостный делитель напряжения без учета емкостей на землю.
Рис. 49. Емкостный делитель напряжения для очень высоких напряжений (емкость верхнего плеча С, образуется паразитной емкостью электрода на крышу кабины).
Для очень высоких напряжений высоковольтная емкость С1 образуется электродом, связанным с высоковольтной измеряемой цепью, и вторым электродом, соединенным с низковольтной частью, конструктивно выполненной в виде измерительной кабины [Л. 85, 101—104].
На рис. 49 электроннолучевой осциллограф находится внутри измерительной кабины и короткими проводниками электрически соединен с низковольтной емкостью.
Благодаря малой величине высоковольтной ёмкости C1значения С2 оказываются также небольшими, поэтому передаточное отношение сильно зависит от нагрузки. Низковольтная емкость представляет собой сумму емкостей: собственно измерительной С2, соединительного кабеля к электроннолучевому осциллографу и входной емкости последнего.
Рис. 50. Емкостный делитель напряжения на 60 кВ.
Рис. 51. Схема емкостного делителя напряжения по рис. 50.
1— высоковольтная обкладка; 2 — общая обкладка ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ и низковольтной емкостей; 3— заземляемая обкладка низковольтной части; 4 — дополнительные емкости для регулирования передаточного отношения.
Делитель на рис. 49 незначительно влияет на цепь высокого напряжения, так как практически представляет собой только часть заряжающейся паразитной емкости высоковольтной цепи. Незначительное влияние на измеряемую цепь приводит в свою очередь к колебаниям величины высоковольтной емкости C1 в зависимости от места установки или соседних предметов, так что практически измерительное устройство всегда нужно вновь градуировать.
Достоинством делителя напряжения по рис. 49 является малая стоимость изоляции высоковольтной емкости.
Высоковольтная и низковольтная емкости образованы тремя коаксиально расположенными, цилиндрическими металлическими электродами (рис. 51). В качестве диэлектрика использованы глубокий вакуум и стекло с малыми потерями. Передаточное отношение регулируется в широких пределах подключением к емкости С2 низковольтных конденсаторов в нижней части делителя. Делитель напряжения предназначен для напряжений до 60 кВ; подключением дополнительной емкости можно расширить диапазон напряжений до 120 кВ. Влияние на измеряемую цепь здесь очень мало, так как входная емкость делителя напряжении всего 4 пФ, а при расширении диапазона измерений— только 2 пФ. Нижняя предельная частота определяется нагрузкой, создаваемой низковольтной емкостью С2 и активным входным сопротивлением электроннолучевого осциллографа
При необходимости нижнюю предельную частоту можно снизить непосредственным подключением делителя напряжения к отклоняющим пластинам электроннолучевого осциллографа. Верхняя предельная частота делителя напряжения определяется его собственной резонансной частотой, которая благодаря малой индуктивности коаксиальной конструкции превышает 200 МГц, так что здесь слабым звеном является только показывающий измерительный прибор. ·
Точный емкостный делитель напряжения, применяемый для градуировочных целей, описан в [Л, 107, 108]. Коаксиальная конструкция с защитными кольцами, а также применение образцовых конденсаторов обычного типа гарантируют получаемое путем измерения или вычисления передаточное отношение порядка 1 000 с точностью в несколько десятых процента. Этот делитель напряжения пригоден для измерения импульсных напряжений до 350 кВ. Его верхняя предельная частота достигает 8 МГц.
Для измерений в лаборатории напряжений до нескольких десятков киловольт можно рекомендовать конструкцию, приведенную на рис. 52. В качестве емкости C1 применен короткий отрезок кабеля с полиэтиленовой изоляцией и с массивной внутренней жилой. Электрически сильно нагруженные места разгружаются посредством утолщений у изоляции. Конец полиэтиленовой изоляции, обращенный к цепи высокого напряжения, имеет углубления для увеличения длины пути скользящего разряда и снижения тока утечки. Перемещением внутренней жилы кабеля и подключением дискового конденсатора с малой индуктивностью к емкости С2, равной сумме входной емкости пробника электроннолучевого осциллографа и геометрической емкости между заземленным внешним цилиндром и общей обкладкой, можно варьировать передаточное отношение.
Рис. 52. Емкостный делитель напряжения, применяемый для расширения диапазона измерений пробников.
1— высоковольтный электрод, 2 —общая обкладка высоковольтной и низковольтной емкостей; 3 — заземляемая обкладка; 4 — полиэтилен; 5 — пробник.
Рис. 53. Схема замещения емкостного делителя напряжения с распределенными емкостями по отношению к земле.
Рис. 54. Упрощенная схема замещения емкостного делителя напряжения с распределенными емкостями на землю.
Чтобы защитить самые чувствительные места делителя напряжения от поверхностных разрядов, полиэтиленовую изоляцию со стороны, обращенной к пробнику, немного рассверливают и получившееся полое пространство заливают силиконовым или трансформаторным маслом.
У второго типа емкостного делителя высоковольтная емкость C1 состоит из большого числа последовательно соединенных отдельных конденсаторов. Как и у омических делителей напряжения, здесь можно составить схему замещения, учитывая емкости на землю С3 (рис. 53).
У этого делителя емкости по отношению к земле также искажают передаточное отношение, однако это искажение не зависит от частоты. Если предположить, что как это бывает в действительности, и что С3<С1, то схему замещения на рис. 53 можно упростить, как это показано на рис. 54 [Л. 100]. Для переходных и стационарных процессов передаточное отношение этой схемы с достаточной степенью точности может быть вычислено по формуле
Например, для случая С1 = 3С3 погрешность в коэффициенте передачи по сравнению с номинальным передаточным отношением (без учета емкостей по отношению к земле) составляет около 5%.
Приведенное выше уравнение для передаточного отношения справедливо для частот до 1 МГц. При более высоких частотах индуктивностями элементов схемы уже нельзя пренебрегать. Даже когда индуктивность подводящих проводов может быть уменьшена посредством различных конструктивных мероприятий, чисто емкостный делитель напряжения по рис. 53 остается непригодным для измерений импульсов с крутым фронтом из-за возникновения волновых колебаний.
