ГЛАВА ВТОРАЯ
ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКИХ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПОМОЩИ ДЕЛИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ И ОСЦИЛЛОГРАФОВ
Испытания изоляции электротехнического оборудования производятся грозовыми и коммутационными импульсами напряжения, максимальное значение которых и временные характеристики должны быть измерены с высокой степенью точности. Непривычная для импульсной техники высокая точность объясняется как требованиями в отношении надежности электротехнического оборудования, так и значительной стоимостью испытуемых объектов. С одной стороны, измерительные устройства не должны показывать заниженное напряжение, чтобы не повредить изоляцию, с другой — нельзя проводить испытания с завышенными показателями измерительных приборов, так как при этом не выполняются задачи испытания. В процессе испытаний могут появляться новые источники помех, которые затрудняют пли даже делают невозможным обеспечение точности измерений, предписываемой требованиями Рекомендаций международной электротехнической комиссии (МЭК) и национальными стандартами [695, 698].
Для определения максимального значения нормированного импульса высокого напряжения существуют измерительные устройства, обеспечивающие погрешность измерения полных и срезанных импульсов не выше 1%. Измерения осуществляются либо описанным в пп. 3.4.2 амплитудным вольтметром со стрелочным прибором, либо осциллографом. Последний способ позволяет помимо измерения максимального значения наблюдать изменение испытательного напряжения во времени, что позволяет в некоторых случаях определить, поврежден или не поврежден объект при испытаниях (см. также [73—78, 573, 574]). При измерениях максимального значения срезанных на фронте импульсов (так называемых косоугольных импульсов высокого напряжения) при обоих способах могут возникать значительные погрешности (см. пп. 2.1.5).
Задача измерения высоких импульсных напряжений стоит не только при испытаниях электротехнического оборудования, но и при многих физических исследованиях, при этом важно знать не только максимальное значение, но и точную форму импульса, которая не должна искажаться в измерительной цепи. К делителю напряжения предъявляются жесткие требования, чтобы исключить его влияние на источник напряжения. Особенно это необходимо при измерениях косоугольных импульсов, при наносекундных длительностях фронта, например, в ускорителях [49—51], искровых камерах и многих других электрофизических исследовательских установках. Эти требования удалось удовлетворить только лишь в разработанных в последнее время конструкциях.
Делитель импульсного напряжения должен обладать хорошими передаточными характеристиками. Однако и при этом пет гарантии, что наблюдаемая па экране осциллографа картина в известном масштабе отображает измеряемое высокое напряжение. Наряду с делителем напряжения могут вызывать дополнительные погрешности подводящие провода и кабели, идущие о г делителя к осциллографу.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ И ИХ ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Делитель высокого напряжения может быть присоединен к источнику напряжения только с помощью проводов. Это вызвано необходимостью соблюдать требуемые изоляционные расстояния. При высоких частотах нельзя пренебрегать индуктивностью соединительных проводов. Часто для устранения ВЧ колебаний делитель подсоединяется к источнику напряжения через демпфирующие резисторы, на сопротивлении которых возникает падение напряжения. Поэтому напряжение на объекте или напряжение, поступающее от генератора, иг (t) может не совпадать с фактически приложенным к делителю напряжением и[ (t) (рис. 29, а).
При очень высоких скоростях изменения напряжения соединение делителя с источником напряжения необходимо рассматривать как линию с распределенными параметрами (рис. 29, б). Подробное рассмотрение этой проблемы, частично с численными примерами, можно найти в работах [68, 135, 151, 585, 588, 589, 643, 644, 691, 6921. Математическая основа для расчетов индуктивности прямоугольной петли применительно к импульсным генераторам содержится в [149]. Учет влияния подводящих проводов приводит к лучшему пониманию наблюдаемых переходных характеристик протяженных цепей импульсных высоких напряжений, однако не решает все вопросы. Большое число нерешенных проблем связано с ограничениями применимости теории переходных процессов в цепях, поскольку условия для использования теории — поперечные размеры и длина системы проводников должны быть меньше четверти длины волны — часто не выполняются. В то же время для решения проблем с помощью теории поля не могут быть точно заданы напряженности электрического и магнитного полей, так как их возмущения распространяются в форме сферических волн, а длины проводников слишком малы (по сравнению с поперечными размерами системы), для того чтобы образовался фронт волны, по крайней мере в пространстве между проводниками.
Рис. 29. Схемы делителя напряжения с подводящим проводом:
а — провод представлен своей индуктивностью L и сопротивлением Я о', б — провод представлен линией с распределенными параметрами с волновым сопротивлением Zc и временем пробега волны т; г/ц О — регистрируемое напряжение, u'\{t) — напряжение на входе делителя; Un(t) — напряжение па выходе делителя
Поэтому в многочисленных недавно опубликованных работах делаются попытки определить напряжения и токи непосредственно из электромагнитного поля, изменяющегося в пространстве и времени и вызванного ступенчатым возбуждением [705—710]. Так как рассмотрение переходных электромагнитных полей в настоящее время находится в начальной стадии, эти работы не будем анализировать подробнее.
На стороне низкого напряжения подводящие провода пытаются сделать предельно короткими или обойтись без них. Этого можно достигнуть специальным пространственным расположением всего устройства, причем должна быть гарантия того, что передаточные характеристики делителя не зависят от окружающих предметов.
Для соединения генератора с делителем и объектом испытания на стороне заземления используют широкие полосы из меди или латуни [53, 55]. При измерениях в электрофизической аппаратуре в наносекундной области часто неизбежным становится коаксиальное присоединение.
При дальнейшем рассмотрении делитель напряжения вместе с его соединительными проводниками будем считать четырехполюсником [691—693], входное напряжение которого иг (t) приложено между соединительным проводом и землей, а выходное и2 (t) снимается с выводов делителя [52, 53, 56, 61]. Не будем учитывать обратное действие делителя на источник напряжения, хотя он часто совместно с генератором используется при формировании импульса. Напряжение, приложенное к объекту, будем считать заданным (см. также §2.7).
Передаточные свойства системы для измерений импульсных напряжений могут быть определены экспериментально либо расчетным путем с привлечением методов системного анализа. Экспериментальное определение проводится при высоких частотах и сравнительно низком напряжении. При обобщении полученных результатов предполагается, что при дальнейшей работе устройства при высоком напряжении сохраняется строгая линейность характеристик элементов измерительной системы. Однако это во многих случаях не является очевидным. Например, могут возникнуть коронный разряд, частичные раз ряды, зависящие от значения приложенного напряжения, термические эффекты, в той или иной мере вызывающие нелинейности характеристик элементов устройства. Выбор материалов с малыми температурными коэффициентами и соответствующая конструкция на высоком напряжении, гарантирующая отсутствие искрения при номинальном напряжении, делают эту проблему второстепенной.
Рассмотрение передаточных характеристик предполагает, что искажение наблюдаемой на экране осциллограммы относительно идеального импульса обусловлено делителем и его соединительными проводами, а не токами в оболочках кабеля или другими помехами (см. п. 1.5).
Емкостный делитель напряжения с сосредоточенными емкостями на стороне высокого напряжения
Если емкостный делитель с неодинаковыми собственными частотами должен обладать приемлемой реакцией на прямоугольный импульс, путем выбора Rx и R2 необходимо позаботиться о том, чтобы в области собственных частот деление напряжения осуществлялось не по индуктивностям, а по сопротивлениям (RT + R2)/R2. Это практически выполняется, если
Чем меньше различаются собственные частоты, тем меньшими сопротивлениями должен обладать делитель. При равенстве собственных частот коэффициент деления не зависит от частоты при отсутствии сопротивлений. Однако поскольку равенство частот на практике не выполняется и всегда имеется в измерительной цепи некоторое затухание (см. рис. 72 и 73), значение Rx всегда конечно и влияние сопротивления Rx необходимо компенсировать сопротивлением R2.
При очень высоких напряжениях емкость Сх делителя можно выполнить в виде воздушного конденсатора, один электрод которого связан с контуром высокого измеряемого напряжения, а второй — с измерительной кабиной [107, 125—129]. На рис. 76 показано такое решение, причем конденсатор низкого напряжения кратчайшим путем связан с осциллографом, находящимся в измерительной кабине.
Так как из-за малого значения емкости Сх мало и значение С2, то делитель чувствителен к нагрузке измерительным прибором и коэффициент деления должен быть скорректирован с учетом этого влияния. Емкость плеча низкого напряжения складывается из собственно емкости делителя, емкости соединительного кабеля и входной емкости осциллографа. Преимущество показанного на рис. 76 измерительного устройства состоит в незначительном влиянии измерительной схемы на источник напряжения: делитель напряжения в этом случае представляет собой некоторую часть емкости элементов контура высокого напряжения относительно земли. Затраты на создание конденсатора емкости Сг незначительны. Малое значение емкости Сх приводит к чувствительности измерительного устройства к окружающей обстановке: при любых изменениях положения предметов вблизи такого делителя необходимо проверять его градуировку.
В коаксиальных системах, применяемых при исследованиях термоядерных установок, и в элегазовых распределительных устройствах делители напряжения представляют собой составную часть конструкции. В зависимости от выполнения плеча низкого напряжения таких делителей при напряжениях около нескольких мегавольт достижимы времена реакций до 50 икс [130, 555, 683, 692, 700, 765].
Еще одним примером выполнения емкостного делителя с сосредоточенной емкостью Сг является делитель, показанный на рис. 77. Емкости делителя образованы тремя коаксиальными цилиндрическими металлическими трубами (рис. 78). Диэлектрик — глубокий вакуум и стекло с малыми диэлектрическими потерями. Показанный делитель рассчитан на напряжение 60 кВ. Напряжение можно увеличить до 120 кВ путем подключения дополнительного конденсатора. Обратное действие делителя на источник напряжения незначительно, так как входная емкость делителя составляет всего 4 пф, а в случае подключения дополнительного конденсатора — 2 пФ. Вследствие малой емкости и малой индуктивности коаксиальной конструкции резонансная частота этого делителя превышает 200 МГц.
Рис. 76. Специальный емкостный делитель на сверхвысокие напряжения
Рис. 77. Емкостный делитель на 60/120 кВ с входной емкостью 4 пФ и резонансной частотой выше 200 МГц (фирма Jenings)
В [133, 134] описан прецизионный делитель, предназначенный для проведения градуировок с коэффициентом деления 1000. Коаксиальная конструкция с защитными экранами и соблюдение обычных для нормальных конденсаторов конструктивных приемов гарантируют, что измеренный и рассчитанный коэффициенты деления различаются с погрешностью, не превышающей десятых долей процента. Делитель пригоден для измерения импульсных напряжений до 350 кВ. Его верхняя граница превышает 8 МГц.
Рис. 78. Разрез емкостного делителя коаксиального типа:
1 — электрод высокого напряжения; 2 — общий электрод; 3 — заземляемый электрод; 4 — дополнительный конденсатор для получения требуемого коэффициента деления
Прецизионные делители напряжения со временем нарастания около нескольких наносекунд можно получить с использованием измерительных конденсаторов высокого напряжения с газом под давлением (рис. 79 и 80). Плечо низкого напряжения располагается либо в заземленном фланце, либо под основанием конденсатора. В последнем случае пространственно разделенные плечи высокого и низкого напряжений должны быть соединены вертикальным проводом, причем Для ослабления переходных процессов в соединительном проводнике Необходимо предусмотреть включение сосредоточенных или распределенных демпфирующих резисторов, выдерживающих импульсы высокого напряжения [676]. Проблема колебаний возникает также и в Конденсаторах с газом под давлением, построенных по принципу, предложенному в [715, 716]. Преимущество делителя с конденсатором с газом под давлением лежит в его линейности, постоянстве коэффициента Деления независимо от окружающей обстановки и в незначительном обратном влиянии на источник напряжения.
Измерение напряжений около десятков киловольт в лабораториях может быть выполнено с помощью легко изготовляемой конструкции, показанной на рис. 81. В качестве плеча высокого напряжения делителя Сг используется короткий отрезок кабеля с полиэтиленовой изоляцией и массивной внутренней жилой. Конец изоляции у вывода высокого напряжения имеет ребра для увеличения расстояния по поверхности изоляции.
Рис. 79. Емкостный эталонный делитель с конденсатором, заполненным газом под давлением [701]
Рис. 81. Емкостный делитель для расширения пределов измерения пробников:
1 — электрод высокого напряжения; 2 — общий электрод; 3 — электрод низко го напряжения; 4 — изоляция; 5 — пробник
Рис. 80. Емкостные эталонные делители на 75 и 150 кВ фирмы Hilo— Test со временем нарастания Та~ = 3,5 не
Регулировкой положения жилы в полиэтиленовой изоляции, параллельным включением необходимого количества дисковых конденсаторов на стороне низкого напряжения с учетом входной емкости осциллографа и емкости внешнего цилиндра относительно земли можно подобрать требуемый коэффициент деления. Для защиты плеча высокого напряжения конструкции от скользящих разрядов внутренняя жила не доходит до конца полиэтиленовой изоляции на стороне, обращенной к плечу низкого напряжения, а пространство в полиэтиленовой изоляции заполнено силиконовым или трансформаторным маслом.
Следует также упомянуть о возможности использования в качестве делителя напряжения вводов с регулированием распределения потенциала (конденсаторных вводов), если допускается соединение ближайшей к заземленному выводу обкладки с измерительным устройством. Эта возможность позволяет измерять не только коммутационные импульсы [702, 703], но и действующее или максимальное значение переменного напряжения промышленной частоты [181,714].
местом разветвления кабелей. Измерительный прибор, обычно электронный осциллограф, присоединяется к одному из я кабелей. При некоторых исследованиях, когда желательна регистрация с разными временными разрешениями, можно использовать несколько осциллографов с различными скоростями развертки, подключаемых к разным кабелям.
