Стартовая >> Архив >> Измерения на высоком напряжении

Генераторы импульсов для измерения переходной функции - Измерения на высоком напряжении

Оглавление
Измерения на высоком напряжении
Общие вопросы осциллографирования
 Измерительные кабели
Помехи
Применение дифференциальных усилителей в схемах измерения
Фотографическая запись
Измерение импульсов высокого напряжения при помощи делителя напряжения и осциллографа
Генераторы импульсов для измерения переходной функции
Время нарастания импульса и время ответа
Влияние делителя напряжения на процессы в высоковольтном контуре
Компенсированные делители напряжения без учета индуктивностей и емкостей
Омические делители напряжения с учетом паразитных емкостей на землю
Низкоомные делители напряжения
Влияние подводящих проводов на переходную функцию емкостных делителей
Чисто емкостные делители напряжения
Демпфированные емкостные делители напряжения
Согласованное подключение низковольтной части емкостного делителя
Схема замещения в виде цепной линии
Измерение импульсов при помощи ячейки Керра и светопровода
Высокоомные сопротивления и делители напряжения  - измерение высокого напряжения
Электростатические вольтметры
Измерение действующих значений переменных напряжений - добавочные сопротивления и делители напряжения
Измерение действующих значений переменных напряжений - индуктивные трансформаторы напряжения
Измерение амплитуд импульсных, переменных и постоянных высоких напряжений шаровым разрядником
Измерение амплитуд высоких переменных и импульсных напряжений
Измерение амплитуд напряжения по Хубу и Фортескье
Измерение амплитуд - пик-вольтметры для переменного напряжения
Измерение амплитуд - импульсные пик-вольтметры
Измерения роторными и генерирующими вольтметрами
Измерение электростатических зарядов
Измерение больших быстропеременных токов электроннолучевым осциллографом
Чувствительность, образцовый конденсатор
Паразитные емкости и экранирование
Нуль-индикаторы
Измерение емкости и tg дельта у заземленных объектов
 Измерение частичных разрядов
Испытуемый объект с распределенными параметрами
Приборы для измерения величин частичных разрядов с помощью четырехполюсника связи
Другие способы измерения частичных разрядов

Для измерения переходной функции необходимы импульсы напряжения, изменяющиеся по формуле
где·
Так как характеристика передачи представляет интерес только для верхнего предела частот делителя напряжения (обеспечение нижнего предела частот, за исключением емкостных делителей напряжения, не связано с трудностями), то для ее экспериментального определения чаще всего применяют периодические прямоугольные импульсные напряжения, которые проще получить. При этом длительность прямоугольной волны должна быть такой, чтобы переходная функция могла за это время достигнуть своего стационарного конечного значения.
Получить скачок напряжения с бесконечной крутизной, как известно, физически невозможно. Можно, однако, довольствоваться длительностью фронта импульса, меньшей чем собственное время нарастания напряжения у исследуемой системы. Если к системе с собственным временем нарастания приложить импульс напряжения с длительностью фронта, то с учетом некоторых допущений, рассматриваемых ниже, длительность фронта импульса выходного напряжения определяется из выражения

Таким образом, для отношения tа1/tа2=1/5 измеренная длительность фронта импульса tа3 отличается от длительности фронта, которая могла быть измерена при приложении прямоугольного импульса напряжения с бесконечно крутым фронтом, всего на 2%. Такой ошибкой в пределах необходимой здесь точности можно пренебречь.
На рис. 17 показана принципиальная схема генератора импульсных напряжений с длительностью фронта порядка 10-8 с и амплитудой 100 В. Преимущество этой схемы состоит в том, что при быстрых процессах она имеет определенное внутреннее активное сопротивление, так как при высоких частотах частотно-зависимым сопротивлением конденсатора Сп по сравнению с значением RBB можно пренебречь. Это особенно важно, когда потребитель подключен к генератору не непосредственно, а через кабель. Если волновое сопротивление этого кабеля равно Raw, то амплитуда импульса уменьшается вдвое.
Конденсатор Св заряжается от источника постоянного напряжения с определенной выбираемой полярностью.

Рис. 17. Генератор контрольных импульсов с амплитудой 100 В и длительностью фронта τф<1 нс.
1 — потенциометр для установки амплитуды импульсов; 2— зарядное сопротивление ; 3 — разрядное сопротивление; 4 — активное внутреннее сопротивление; 5 — полное сопротивление нагрузки (делитель напряжения); 6 — контакт реле.
Рис. 18. Кривые выходного напряжения генератора импульсов.
1-Rвн мало; 2-Rвн  оптимально; 3— Rвнвелико.

При периодическом замыкании контакта реле 6 конденсатор разряжается через внутреннее сопротивление Rвн, разрядное сопротивление Rp и полное сопротивление нагрузки Ζα, состоящее из сопротивления Ra и конденсатора Са. Если исследуемый делитель напряжения всегда подключен непосредственно, без кабеля, то значение Rвн целесообразно выбирать' таким малым, чтобы напряжение на выходе генератора изменялось по времени одинаково как при холостом ходе, так и при нагрузке сопротивлением Za. С другой стороны, значение Rвн должно оставаться достаточно большим, чтобы в контуре, образованном конденсаторами Сп, Са и индуктивностью подводящих проводов, возникало апериодическое изменение тока. На рис. 18 показаны выходные напряжения генератора импульсов при емкостной нагрузке и различных значениях внутреннего сопротивления Rвн. Если внутреннее сопротивление источника напряжения мало, то возникает колебательный процесс, а при большом внутреннем сопротивлении из-за воздействия емкости кривая напряжения сглаживается.
При малых емкостях по сглаживанию фронта импульса можно вычислить постоянную времени Та цепочки из сопротивления Rвн и емкости Са (предполагается, что Ra велико и не сказывается на фронте импульса):

Чтобы получить малые сопротивления Rвн, нужно до минимума уменьшить индуктивности цепи, изображенной на рис. 17 более жирными линиями. Для этого необходимо: емкость Сп выполнять  сопротивлениями, отличными от волнового, на хвосте импульса (после удвоенного времени пробега по кабелю) делаются заметными отражения, которые, однако, в данном случае можно не учитывать.
При замыкании контактов реле на зажимах генератора возникает прямоугольный импульс напряжения с амплитудой Uo/2 и длительностью, равной удвоенному времени пробега волны по кабелю зарядной цепи. Длительность импульсов регулируется изменением длины кабеля. Заряженный кабель действует как источник напряжения с внутренним сопротивлением Z. При замыкании контактов реле этот источник напряжения нагружается сопротивлением величиной Z и напряжение на его зажимах уменьшается вдвое. Такие генераторы изготовляются и на высокое напряжение (Л. 39).
Для высокоомных испытуемых объектов может быть с успехом в виде параллельно включенных дисковых конденсаторов; уменьшать до минимума габариты разрядной цепи; применять по возможности коаксиальные провода. Следует заметить, что механические контакты выключателей и обычных реле непригодны из-за «дребезга» при замыкании. Ртутные выключатели или реле со ртутными контактами, как известно, работают без «дребезга». Хороший результат дает применение герконов.
Из-за наличия нагрузки Ζа и встроенного разрядного сопротивления Rр форма прямоугольного импульса не получается идеальной. Изменение напряжения холостого хода при замыкании контакта реле, если пренебречь подзарядом от источника питания, происходит по уравнению

Таким образом, импульс спадает по экспоненциальному закону.
Однако практически переходная функция достигает своего конечного стационарного значения значительно раньше, чем напряжение уменьшится на десятые доли процента.
При более тщательном и подробном рассмотрении схемы с подключенной нагрузкой Ζa нетрудно обнаружить идентичность ее с широко применяемым в ТВН контуром ГИН. Емкость Сп соответствует разрядной емкости ГИН, внутреннее сопротивление Rвн— демпфирующему сопротивлению, реле — шаровому включающему промежутку; RР, Ra и Со представляют собой разрядное сопротивление и нагрузочную емкость однокаскадного ГИН. Неискаженный прямоугольный импульс дает схема на рис. 19. полученная из схемы на рис. 17 при замене конденсатора Сп коаксиальным разомкнутым кабелем. Генератор создает безукоризненно прямоугольные импульсы. когда его нагрузка равна волновому сопротивлению кабеля зарядной цепи.

Рис. 19. Генератор прямоугольных импульсов с амплитудой 500 В и длительностью фронта τ<1 нс.
1— потенциометр для установки амплитуды импульса; 2 —зарядное сопротивление; 3 - кабель зарядной цепи; 4 — контакт реле; 5 — полное сопротивление нагрузки (делитель напряжения).

В [Л. 76] описан генератор импульсов напряжений с амплитудой 100 кВ и длительностью фронта 0,1 не обеспечиваемой путем последовательного включения двух искровых промежутков, из которых один работает в атмосфере с пониженным давлением и пробивается под воздействием очень высоких перенапряжений, что обеспечивает глубокий срез напряжения с очень малым предразрядным временем.
В качестве выключателя в генераторах импульсов целесообразно использовать водородный тиратрон, значительно превосходящий ртутный выключатель по частоте коммутации (порядка 10 кГц) и запирающему напряжению [Л. 15, 116, 119].

При нагрузке генератора применена схема рис. 20 [Л. 54]. Здесь прямоугольный импульс Создается путем замыкания накоротко постоянного напряжения, приложенного к высокоомному сопротивлению . В качестве реле применен ртутный выключатель. Чтобы проверить линейность делителя в целом, иногда желательно для измерения переходной функции применение прямоугольных импульсов высокого напряжения. Последние создаются почти исключительно глубоким срезом напряжения на искровом промежутке с инертным газом под давлением или в масле [Л. 39, 40, 72, 73, 75, 109, 117, 118], что позволяет получить более короткие времена. Согласно закону Теплера время формирования искрового разряда в газах обратно пропорционально напряженности поля, поэтому искровые промежутки с инертным газом, находящимся под давлением, позволяют получать более короткие времена.
На рис. 21 приведена схема генератора импульсных напряжений с амплитудой 100 кВ и длительностью фронта 5 нс. Поджигающий разрядный промежуток работает при нормальном давлении воздуха и выполнен в виде трехэлектродного искрового промежутка. При приложении поджигающего импульса к среднему электроду происходит пробой поджигающего разрядника. Возникающая вследствие этого волна напряжения падает па искровой промежуток в масле, значительно превышая пробивное напряжение последнего, благодаря чему па выходе генератора получается довольно крутой прямоугольный импульс.

Рис. 20. Коммутационное устройство для измерения переходной функции высокоомных делителей напряжения.
1— контакт реле.
Рис. 21. Генератор импульсов высоких напряжений с искровым промежутком, повышающим крутизну импульсов.
R1, R2 — демпфирующие защитные сопротивления; R3 — сопротивления для формирования импульсов; TFS — коммутационный разрядник со спусковым электродом; OFS—искровой промежуток в масле.


Рис. 22. Определение времени нарастания ta импульса напряжения.
Длительности фронта импульса здесь порядка наносекунд и определяются не скоростью формирований разряда в лампе, а индуктивностями коммутационных элементов и проводов внешней цепи разряда.

При снятии характеристик передачи делителей импульсного напряжения с использованием высоковольтных импульсов нужно обязательно применять некоронирующие провода. Как показали проведенные исследования [Л. 442], корона на проводах приводит к сглаживанию фронта волны контрольного импульса, что искажает временную характеристику делителя напряжения.



 
« Из истории развития электроэнергетики СССР   Инструментальное хозяйство монтажного управления »
электрические сети