Глава третья
ИЗМЕРЕНИЕ ВЫСОКОГО ПОСТОЯННОГО,
ИМПУЛЬСНОГО И ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
- ИЗМЕРЕНИЕ ВЫСОКОГО ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
И ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
а) Высокоомные сопротивления и делители напряжения
В технике измерений низких напряжений расширение пределов измерения вольтметров производится путем последовательного подключения к измерительному прибору добавочного сопротивления соответствующей величины. Подобным образом можно измерять и высокие постоянные напряжения (рис. 64). В этом случае измеряют чувствительным прибором магнитоэлектрической системы ток I, протекающий по известному высокоомному сопротивлению /?. Напряжение, приложенное к измерительному устройству, равно U=IR. При этом пренебрегают падением напряжения па амперметре, что вполне допустимо, так как его внутреннее сопротивление очень мало. Рекомендуется параллельно амперметру включать предохранитель с инертным газом (U) для защиты прибора при пробое высокоомного сопротивления. Защитное действие предохранителя с инертным газом может быть повышено, если его подключить не непосредственно параллельно амперметру, а одним концом к отпайке измерительного сопротивления, как это показано на рис. 64. В этом случае при возникновении пробоя срабатывание предохранителя происходит значительно раньше.
Рис. 64. Измерение высоких постоянных напряжении при помощи амперметра и добавочного сопротивления.
Рис. 65. Высокоомное измерительное сопротивление.
Значение добавочного сопротивления выбирается таким, чтобы при полном напряжении протекал ток порядка сотен микроампер. В зависимости от внутреннего сопротивления источника напряжения могут быть целесообразны меньшие или большие значения этого тока. Для статических источников напряжения этот способ непригоден из-за сравнительно большого влияния на измерительную цепь. На практике чаще всего добавочное сопротивление выполняют в виде последовательного соединения большого числа отдельных элементов сопротивлений. Цепочку сопротивлений для высоких напряжений наматывают на гетинаксовый цилиндр и погружают в масло, чтобы избежать явления коронирования, а также с целью достижения лучшего и более равномерного теплоотвода. При этом необходимо следить за тем, чтобы падение напряжения между отдельными витками не приводило к пробою по поверхности изолирующей трубки. Допустимы значения напряжений менее 5 кВ/см в воздухе при нормальном давлении и до 15 кВ/см в масле. Для напряжения до 100 кВ достаточно поместить сопротивления в заполненный маслом поливинилхлоридный шланг, концы которого снабжены экранами для защиты от коронирования (рис. 65). Элементы могут быть выполнены из углеродистых пленочных, металлических пленочных, композиционных и проволочных сопротивлений. Следует упомянуть еще о проводящей резине, примененной при изготовлении измерительных сопротивлений для постоянных напряжений до 2 МВ [Л. 124]. Для небольших значений сопротивлений пригодны высокоомный кордель и тканное сопротивление, благодаря их высокой стабильности и малой зависимости от температуры окружающей среды. Высокоомный кордель состоит из асбестового или стеклошелкового шнура, на который намотана тонкая проволока из материала с большим удельным сопротивлением. Тканное сопротивление состоит из изолирующей прядильной основы (асбест, стеклошелк), в которую воткано кордельное или проволочное сопротивление. При очень больших значениях сопротивлений необходимы слишком малые диаметры проволок, весьма чувствительных к механическим нагрузкам, поэтому для этого случая пригодно только последовательное соединение большого числа отдельных элементов сопротивлений*. В качестве последних используются применяемые в радиотехнике и электронике углеродистые и металлические пленочные сопротивления с допускаемой нагрузкой около 2 Вт. У специальных спиральных высоковольтных пленочных сопротивлений при изготовлении предусматривают особо глубокие и широкие шлифованные канавки, чтобы избежать образования проводящих мостиков и пробоев между отдельными спиралями. Высокоомные сопротивления, изготовленные на коллоидном углероде, имеют в диапазоне 0—200 В сильную зависимость от напряжения, которую следует учитывать при градуировке всего измерительного устройства. Выше определенного начального диапазона напряжений значения сопротивлений изменяются незначительно. Поэтому величины отдельных сопротивлений нужно выбирать так, чтобы измеряемое напряжение было за пределами начального диапазона.
При более жестких требованиях к точности измерений необходимо учитывать температурный коэффициент сопротивления а. Высокоомные углеродистые пленочные сопротивления имеют температурный коэффициент порядка ±5-10-4 1/°С. Точная величина его дается в отдельных случаях изготовителем сопротивлений.
1 В СССР освоено производство микропроволочных сопротивлений из очень тонкой проволоки в стеклянной изоляции, единичное сопротивление которых достигает 0,1 МОм, а также делителей напряжения постоянного тока из них (Драбенко И. Ф., Зеликовский З. И. Высоковольтные измерительные сопротивления из остеклованного манганинового микропровода. — «Электротехника», 1963, № 11). П р и м. р е д.
Действительное значение сопротивления при повышенной температуре может быть вычислено по известной формуле
Металлические пленочные сопротивления имеют в 10 раз меньший температурный коэффициент; кроме того, они более стабильны, чем углеродистые пленочные сопротивления.
Все типы пленочных сопротивлений чувствительны к импульсным перегрузкам, которые приводят к повышению номинального значения сопротивления. Даже в том случае, когда у сопротивления в целом при измерении напряжения нет никаких оснований ожидать импульсных перегрузок, при определенных режимах и испытаниях могут (как будет подробно показано ниже) возникнуть перегрузки отдельных элементов. В этих случаях рационально применять композиционные сопротивления, которые менее чувствительны к импульсным нагрузкам. Композиционные сопротивления реагируют на импульсную перегрузку уменьшением их значений, это обусловлено спеканием отдельных частиц сопротивления. Изредка наблюдается также и увеличение сопротивления. Недостатком композиционных сопротивлений является сравнительно большой температурный коэффициент.
Влияние напряжения и температуры можно исключить, если высокоомное сопротивление изготовить в виде делителя напряжения, оба плеча которого выполнены из одинаковых элементов, (рис. 66). Тогда высокое напряжение определяют по передаточному отношению делителя и по напряжению, которое показывает электростатический вольтметр, подключенный к низковольтной части делителя. Если все элементы делителя имеют одинаковое превышение температуры (что при горизонтальном расположении сопротивлений более вероятно, чем при их вертикальной установке), то относительные изменения сопротивления конструктивных элементов от температуры и напряжения не входят в передаточное отношение.
Рис. 66. Измерение высоких постоянных напряжений при помощи омического делителя напряжения и вольтметра электростатической системы.
Рис. 68. Добавочное сопротивление с распределенными емкостями.
Рис. 67. Точный делитель постоянного напряжения до 100 кВ фирмы Бекман.
В делителе постоянного напряжения и в высокоомном добавочном сопротивлении нужно позаботиться о подавлении утечек и коронирования, используя соответствующие конструкции, применяемые в ТВН. В качестве примера на рис. 67 показана конструкция прецизионного делителя напряжения.
При внезапном снижении нагрузки или коротком замыкании источника постоянного напряжения, например вследствие пробоя у испытуемого объекта, омические добавочные сопротивления и делители постоянного напряжения могут быть легко разрушены. Снижение нагрузки или короткое замыкание действуют на измерительное сопротивление подобно приходу падающей волны. Как было показано ранее для делителей импульсного напряжения, распределенные емкости по отношению к земле протяженного высокоомного сопротивления являются причиной нелинейного распределения по нему напряжения при высоких частотах. Это приводит к значительной перегрузке напряжением первого элемента сопротивления со стороны высокого напряжения. Чтобы устранить эту опасность, между отдельными витками сопротивления включают конденсаторы, которые при переходных процессах выравнивают распределение напряжения (рис. 68). Кроме того, эти конденсаторы уменьшают постоянную времени измерительного сопротивления.
Рис. 69. К определению пульсации постоянного напряжения.
Такое требование возникает при измерении напряжения на регулируемых источниках постоянного напряжения для ускорителей.
В заключение следует отметить, что при пульсирующем постоянном напряжении и применении прибора магнитоэлектрической системы в качестве амперметра измеряется среднее арифметическое значение, а при применении электростатического вольтметра (если пренебречь распределенной емкостью по отношению к земле) — действующее значение высокого напряжения.
Пульсация постоянного напряжения (%) определяется из рис. 69 по формулам [Л. 120]
где U—среднеарифметическое значение.
Помимо этого определения существуют еще понятия пульсаций действующего и пикового значений, но их применяют редко [Л. 120].
Пульсации постоянного напряжения могут быть определены по схеме, приведенной на рис. 70.
Через вспомогательную емкость Сн, выбираемую по наибольшему мгновенному значению напряжения, отводится переменная составляющая высокого напряжения к электроннолучевому осциллографу. При подключении вспомогательной емкости к высокому напряжению выключатель S должен быть замкнут, так как во время заряда конденсатора Сн до среднего арифметического значения постоянного напряжения кратковременно протекает большой зарядный ток.
Рис. 70. Измерение пульсаций, возникающих в постоянном напряжении при выпрямлении по однополупериодной схеме.
Rд — демпфирующее сопротивление.
Если бы выключатель был разомкнут или его вовсе не было, то через входное сопротивление электроннолучевого осциллографа протекал бы импульс тока, который перегрузил бы его по току или напряжению и вывел из строя. На входе современных осциллографов часто предусматривается переключатель рода сигнала (постоянное или переменное напряжение) с дополнительным коммутационным положением «земля». В этом положении закорочен вход усилителя и от него отключено входное гнездо осциллографа. Такой переключатель, естественно, не может заменить отдельный выключатель S.
Значение емкости Сн следует выбирать больше емкости Сэо (сумма емкостей электроннолучевого осциллографа и кабеля), чтобы сопротивление 1/wСн было для основной частоты пульсаций значительно меньше активного входного сопротивления Rэо электроннолучевого осциллографа. В противном случае конденсатор Си вместе с элементами схемы Сэ.о и Rэ.o действует как частотнозависимый делитель напряжения и измеренная пульсация получается меньше действительной.
Применение наглядного и простого способа измерения постоянного напряжения при помощи высокоомного добавочного сопротивления и вольтметра или амперметра при измерении высоких переменных напряжений связано с значительными трудностями. Помимо зависимости величины сопротивления от температуры и напряжений, при измерениях переменного напряжения возникает еще требование иметь по возможности малые угловые погрешности (например, при измерении ваттметром потерь мощности на корону).
Рис. 71. Упрощенная схема замещения измерительного сопротивления.
Поясним сначала понятие угловой погрешности. Каждое активное сопротивление, обтекаемое током, как известно, имеет в прилегающем к нему пространстве магнитное и электрическое поля. Наличие этих полей рассеяния в упрощенной схеме замещения учитывается последовательным соединением с идеальным активным сопротивлением R индуктивности L, а параллельно этому соединению подключают емкость С (рис. 71). У высокоомных измерительных сопротивлений индуктивностью L чаще всего можно пренебречь, так как значение ωL только при очень высоких частотах может быть такого же порядка, как и R, тогда как реактивное сопротивление 1/wС у высокоомных сопротивлений делается заметным уже на малых частотах. Если через высокоомное сопротивление протекает синусоидальный переменный ток, то между этим током и напряжением па зажимах сопротивления возникает сдвиг фаз, который у высокоомных измерительных сопротивлений называют емкостной угловой погрешностью, равной
Аналогично у сравнительно низкоомных измерительных сопротивлений параллельной емкостью чаще всего можно пренебречь, тогда как величина ωL влияет тем больше, чем меньше значение сопротивления. Соответственно здесь определяют индуктивную угловую погрешность, равную
У сопротивлений, которые нельзя считать ни очень малыми, ни очень большими, нужно учитывать обе угловых погрешности. Полное сопротивление двухполюсника, показанного на рис. 71, определяется по формуле
Если предположить, что значение ωL и wС очень малы, к чему стремятся при конструировании измерительных сопротивлений, то можно приближенно написать
Тогда угловая погрешность сопротивления
Из этой формулы видно, что соответствующим выбором размеров измерительного сопротивления можно свести угловую погрешность к нулю. Это может быть достигнуто при выполнении условия
Добавочные сопротивления для высоких переменных напряжений обычно делают очень высокоомными, так что их индуктивностью чаще всего можно пренебречь. Однако их угловая погрешность не может быть определена по упрощенной схеме замещения рис. 71, так как необходимо учитывать распределенные емкости по отношению к земле (рис. 72). Из этой схемы видно, что значение высокого напряжения, определенное измерением тока, получается заниженным, так как амперметр не измеряет токи, ответвляющиеся в емкости по отношению к земле С'з. Эту погрешность легко учесть при градуировке измерительного устройства. Угловую погрешность можно вычислить по известным формулам, если измерительное сопротивление рассматривать как цепную линию. По [Д. 122] угловая погрешность спирального сопротивления высотой h равна:
где Rl — погонное сопротивление, Ом/см; С'з — распределенная емкость по отношению к земле, Ф/см; Свит — рассчитанная на длину 1 см межвитковая емкость, Ф/см. При малых диаметрах спиралей второй член в скобке мал по сравнению с дробью h2C'з/6. Следовательно, угловая погрешность очень мала, когда диаметр спирали велик, а ее высота мала. Есть еще и другая возможность уменьшения угловой погрешности: применение для измерительного сопротивления Rз экранирующего сопротивления Rз, которое выполнено в виде охватывающей его спирали.
Экранирующее сопротивление включается параллельно измерительному так, чтобы его ток не протекал через прибор (рис. 73). При помощи уравнительных сопротивлений Rу можно изменять потенциалы на концах экранирующего сопротивления по отношению к потенциалам измерительного сопротивления.
Рис. 72. Высокоомное «добавочное сопротивление с паразитными распределенными емкостями.
Рис. 73. Измерение высоких переменных напряжений при помощи экранированного высокоомного добавочного сопротивления и амперметра.
Получающиеся таким образом емкостные уравнительные токи между экранирующим и измерительным сопротивлениями обеспечивают получение минимального значения угловой погрешности [Л. 125].
Следует отметить, что влияние распределенной емкости по отношению к земле может быть исключено при помощи нелинейного погонного сопротивления, сочетаемого с установкой высоковольтного экрана аналогично описанному в § 2-3.
