Делители для измерений высоких постоянных, переменных и импульсных напряжений
Из предыдущего анализа методов измерений ясно, что прямые измерения можно проводить не при любых значениях высокого напряжения, так как иногда это очень дорого, например требуется большая площадь в лаборатории. Все косвенные методы основаны главным образом на том, что сначала предполагается высокое напряжение снизить до уровня, при котором его можно подвести к прибору.
Правомерно поставить вопрос, почему нельзя принципиально создать универсальный делитель, который не очень сильно искажал бы измеряемый сигнал, слабо нагружал источник высокого напряжения и давал энергию, достаточную для измерительного прибора. Очевидно, создание такого делителя невозможно или, по крайней мере, неэкономично. Практические трудности возникают потому, что значение измеряемого напряжения является далеко не единственным параметром делителя. При постоянном и переменном испытательных напряжениях задается время воздействия напряжения, от которого зависит выделяющаяся в делителе энергия. Накладывает сильный отпечаток на параметры делителя и диапазон измеряемых частот. Если же напряжения импульсные и частота повторения импульсов невелика, в делителе с высоким сопротивлением выделяется незначительная энергия, однако из-за высоких частот спектра кратковременного импульса предъявляются очень высокие требования к частотным передаточным характеристикам делителя, что обычно приводит к особой конструкции делителя.
За последние 10—20 лет в создании делителей достигнут существенный прогресс и созданы не только уточненные методики расчетов. Значительное улучшение осциллографической техники привело к тому, то появилась возможность экспериментального определения передаточных характеристик, что позволяет установить и устранить конструктивные недостатки, которые нельзя обнаружить другими методами.
Невозможно в кратком разделе рассмотреть все виды делителей. Поэтому остановимся лишь на конструкциях с однородно распределенными параметрами, в которых, по крайней мере, плечо высокого напряжения образовано большим числом одинаковых элементов (резисторов, конденсаторов), чтобы обеспечить высокую общую электрическую прочность. Для таких конструкций разработана специальная теория, из которой вытекают рекомендации по использованию того или иного типа делителя для измерения различных видов напряжения. Теория базируется на анализе цепочечных схем, и ее можно без труда распространить на простейшие схемы замещения. Обобщение многочисленных расчетов в простые закономерности упрощает представление полученных результатов. Однако их обсуждение должно привести к четкому пониманию протекающих физических процессов.
Примеры выполнения делителей высокого напряжения
Прежде чем перейти к теоретическим рассуждениям, необходимо представить себе принципиальные конструкции и требуемые размеры делителей напряжения, что очень важно для неискушенного в технике измерений инженера. Во всех делителях общим является размещение рабочих элементов в цилиндре из качественного изоляционного материала сравнительно небольшого диаметра. Часто используемое заполнение цилиндра маслом обеспечивает изоляцию между элементами (например, между секциями бумажно-масляных конденсаторов), теплоотвод и устраняет разряды по поверхности элементов, которые возникают на стороне высокого потенциала при большой напряженности поля.
Естественно, масло частично можно заменить газом с высокой электрической прочностью, например элегазом под давлением. При воздушной изоляции входной электрод высокого напряжения делителя, как правило, должен быть выполнен так, чтобы на нем не было ЧР. Общая высота делителя определяется необходимой внешней изоляцией, т. е. электрической прочностью окружающего делитель воздуха. Хотя эту высоту можно существенно уменьшить за счет оптимизации формы и размеров электродов, все же средние напряженности выбираются не очень высокими, чтобы учесть специфические изоляционные проблемы, известные из теории разрядов в газах при различных видах воздействующего напряжения (зарядка поверхности изоляции при постоянном напряжении, особенности развития лидеров при коммутационных напряжениях, см. § 7.6). Обычно, удельные высоты делителей выбираются следующими: 2,5— 3 м/МВ при постоянном напряжении; 2—2,5 м/МВ при грозовых импульсах; 4—6 м/МВ при коммутационных импульсах; 4— 5 м/МВ (эффективное значение) при переменном напряжении. Если напряжение составляет несколько сотен киловольт, проблема выбора размеров делителя обычно не возникает, так как требуемая площадь еще невелика. В области ультравысоких напряжений сильная нелинейная зависимость разрядного напряжения от расстояния между электродами приводит к очень большим размерам делителей.
Делитель напряжения представляет собой не обязательно специальное устройство. В установках постоянного напряжения, если это возможно, делитель встраивается непосредственно в генератор. Его также можно объединить с объектом испытаний, например, вводом высокого напряжения с конденсаторными обкладками. Однако такие специальные конструкции в этой книге не рассматриваются.
Размеры делителей являются основой при теоретическом рассмотрении цепочечных схем, содержащихся в п. 10.6.3.
10.6.3.3. Измерительная цепь с делителем напряжения.
Как правило, делитель высокого напряжения конструктивно не совмещается с источником напряжения или объектом испытания и представляет собой отдельный прибор. В этом случае необходимо прежде всего учитывать взаимные электрические и магнитные связи, если элементы делителя не экранированы, так как экранирование часто осуществить невозможно. Делитель обычно состоит из нескольких соединенных между собой элементов, не имеющих электрических или магнитных экранов. Эти элементы на входе делителя, находящиеся под высоким потенциалом и на выходе имеющие потенциал, близкий к потенциалу земли, пространственно удалены друг от друга. Поэтому окружающее делитель пространство, такое же большое, как и в случае шаровых разрядников (см. п. 10.1.1), не должно содержать посторонних предметов.
Рис. 10.37. Делитель напряжения в импульсной измерительной цепи.
Делитель устанавливают достаточно далеко как от источника напряжения, так и от испытуемого объекта (как правило, это расстояние равно высоте делителя) или же так ориентируют относительно друг друга, чтобы связь между ними была слабой (например, делитель подвешивают над объектом испытания). При использовании делителей, как и в обычных измерительных схемах, необходимы металлические соединения, изолированные на соответствующее напряжение между делителем и точкой измерения напряжения.
Тщательное экранирование участков схемы с выходным напряжением (в большинстве случаев не более 1000 В) выполнить нетрудно. Такое экранирование, безусловно, необходимо, так как на эти участки воздействуют электромагнитные поля, создаваемые всеми элементами, находящимися под высоким напряжением. Измерительная схема с делителем напряжения в импульсной измерительной цепи изображена на рис. 10.37.
Измерительный контур является передаточной системой, состоящей из нескольких компонентов (4—7 на рис. 10.37), которые нельзя не учитывать. При измерениях постоянного напряжения влияние соединительных проводов на сторонах высокого 4 и низкого 6 напряжений отсутствует. В случае измерений низкочастотных переменных напряжений емкость измерительного кабеля 6 может сказаться на значении коэффициента деления N (см. п. 10.6.2). В обоих случаях плечо низкого напряжения располагается у измерительного прибора 7.
В отличие от сказанного при измерениях импульсных напряжений все элементы измерительного контура и их конструктивное выполнение в большей или меньшей степени влияют на передаточные свойства измерительной цепи. Саму цепочечную схему делителя необходимо дополнить другими элементами. Соединительный провод 4 желательно представлять в виде линии. Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в последние годы и содержащие точный анализ наиболее важных процессов, сопровождающих измерения прежде всего срезанных на фронте импульсов [10.61, 10.50], рассмотреть подробнее не представляется возможным.
Рис. 10.38. Согласование кабеля при емкостном делителе напряжения и приборе с высоким входным сопротивлением: Ζ, τ*, Ck — параметры кабеля
Остановимся лишь кратко на согласовании измерительного кабеля 6 с емкостным делителем напряжения при измерении импульсных напряжений. Даже сравнительно короткий коаксиальный кабель на высоких частотах нельзя рассматривать как сосредоточенную емкость, и следует учитывать волновые процессы в нем. В отличие от омического делителя, в котором за счет большого коэффициента деления сопротивление плеча низкого напряжения мало и не представляет труда согласовать кабель на концах у делителя 5 и прибора 7, емкостный делитель нельзя нагрузить малым сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля (50—75 Ом). Кабель нагружается лишь входным сопротивлением прибора 7 (более 1 МОм), поэтому он является практически разомкнутым на конце, и становится неизбежным полное отражение сигнала. Энергия, связанная с переходными процессами в кабеле, поглощается лишь в согласующем резисторе, включенном в начале кабеля (рис. 10.38). Так как этот резистор заземлен лишь через С2 и кабель должен быть заряжен от делителя напряжения за время двойного пробега импульса по кабелю, то возникает дополнительная погрешность коэффициента деления, зависящая от частоты. При очень высоких частотах кабель не нагружает делитель и для идеального делителя
Этот эффект обычно не сильно проявляется. Однако в особых случаях (при малых С1 и С2 в емкостных делителях, рассчитанных на сравнительно невысокие напряжения, а также при длинном измерительном кабеле) он вынуждает принимать дополнительные меры для лучшего согласования кабеля [10.62].
10.7. Шунты для измерений импульсных токов
Измерение униполярных и затухающих колебательных импульсов тока с большим максимальным значением является особой проблемой техники испытаний при высоких напряжениях. Такие токи возникают всегда там, где имеет место быстрый разряд накопителя электрической энергии (молния, исследования в области физики плазмы и т. д.), при этом ток очень быстро становится выше 1000 А, нередко достигая нескольких сотен килоампер. Крутизны токов также очень высоки; они могут иметь порядок 1011 А/с=100 кА/мкс.
Как и импульсные напряжения, импульсные или ударные токи в большинстве случаев сопровождают однократные процессы, и должны регистрироваться по методике, изложенной в п. 10.5.2. Регистрирующий прибор фиксирует подводимое к нему напряжение, и измерение тока сводится к получению напряжения, строго пропорционального измеряемому току. Для этого можно использовать многие физические эффекты. Далее будет рассмотрен несколько подробнее лишь один из этих эффектов: преобразование тока в напряжение за счет электрического поля в проводящем материале с высоким удельным сопротивлением.
Методы измерений импульсных токов, основанные на магнитных эффектах (пояс Роговского, трансформаторы тока, ячейки Фарадея и датчики Холла), не рассматриваются, так как обширную информацию о новейших работах в этой области можно найти в [10.24].
