1.4. Измерение переменного напряжения с использованием прибора и измерительного конденсатора

При измерении переменных напряжений вместо добавочного резистора можно использовать конденсатор. При этом фазовый угол между током, протекающим через прибор и напряжением приближается к /2, что позволяет использовать такие схемы только для измерений амплитудных или действующих значений напряжения.

Амплитуда или действующее значение тока через измерительный прибор (рис. 1.5А) пропорциональны приложенному напряжению U лишь при строго синусоидальной форме напряжения. При отклонении от синусоиды возникает дополнительная погрешность из-за частотной зависимости сопротивления конденсатора. От этого недостатка свободна схема для измерения максимального значения напряжения с использованием измерительного конденсатора в качестве плеча высокого напряжения делителя (рис. 1.5Б). Напряжение, снимаемое с емкости С₂, выпрямляется и измеряется вольтметром V c большим входным сопротивлением. Для получаемой малой дополнительной погрешности нужно соблюдать условия:

R_мС_м >> 2; R_м >> R₂; R₂ >> 1/C₂;

В качестве емкости С₁ в схемах на рис. 1.5 используют образцовые воздушные или с газом под давлением конденсаторы, служащие для измерения tgизоляции мостовыми схемами. Образцовые конденсаторы имеют малый (порядка 10^–6) tg и известную емкость.

Рис. 1.5. Схемы измерения переменного высокого напряжения

стрелочными приборами.

А - с добавочными конденсаторами, Б - с делителем напряжения и выпрямителем

Для устранения влияния окружающих предметов на значение емкости измерительная часть электрода конденсатора, связанного с прибором, полностью экранируется. Такие конденсаторы с заполнением углекислым газом или элегазом под давлением выпускаются на напряжения от 30 до 900 кВ. При бóльших напряжениях выполняется частичное экранирование измерительного электрода промежуточным экраном, находящимся под плавающим потенциалом. Выполнение образцовых конденсаторов приведено на рис. 1.6.

Помимо образцовых конденсаторов для измерения амплитудного значения переменного напряжения выпускаются бумажно-масляные конденсаторы.

Рис. 1.6. Образцовые конденсаторы на напряжение 900 кВ (а) и 1,2 МВ (б).

1 - экран; 2 - электрод высокого напряжения; 3 - электрод низкого напряжения; 4 – про-межуточный электрод; 5 - изоляционный корпус; 6 - вывод к измерительному прибору.

Точность измерений при использовании бумажно-масляных конденсаторов ниже. Она определяется точностью измерения напряжения шаровыми разрядниками, используемыми для калибровки (нет других средств измерения переменных напряжений с амплитудой выше 10⁶ В), а также нет эталонных источников переменных напряжений с указанной амплитудой.

1.5. Измерение импульсных напряжений с помощью делителей напряжения

Для измерения максимальных значений импульсных напряжений помимо шаровых разрядников применяют устройства, аналогичные рис. 1.5Б. Если измеряемый импульс однократный, в схеме отсутствует резистор R_м. К выпрямителю B предъявляются повышенные требования: его сопротивление в обратном направлении должно быть достаточно велико, чтобы емкость C_м не успела заметно разрядиться за время отсчета, а в прямом направлении мало, чтобы емкость C_м заряжалась за время, меньшее длительности фронта импульса. Помимо максимального значения часто нужно контролировать форму импульса напряжения. Для этого с делителя напряжения на осциллограф подают импульс, повторяющий форму импульса измеряемого напряжения. Непосредственно на вход осциллографа можно подавать напряжения, по величине не превышающие допустимое входное напряжение.

Погрешность осциллографических измерений составляет обычно от 1% до нескольких процентов. Следует заметить, что как при импульсных, так и при переменных напряжениях отсутствуют эталонные источники напряжений в мегавольтной области, поэтому определение погрешностей измерения представляет собой сложную проблему.

Устройство для измерения импульсных высоких напряжений состоит из делителя напряжения с соединительными проводами, осциллографа и кабеля, соединяющего делитель с осциллографом. На концах кабеля, как правило, включаются согласующие сопротивления. Наличие многих элементов в измерительной цепи может вносить дополнительные погрешности в виде временного сдвига, искажения формы и максимального значения импульса.

Измерительное устройство представляет собой пассивный четырехполюсник, на вход которого подается измеряемое напряжение, а с выхода снимается сигнал, подаваемый на пластины электронного осциллографа или вход АЦП цифрового осциллографа. Условием неискажающей передачи является точное повторение формы импульса измеряемого напряжения на выходе измерительной схемы. Это возможно лишь при точном подобии части схемы, находящейся под высоким напряжением, и измерительной части. Однако наличие специфических элементов на стороне высокого напряжения ‑ распределенных емкостей, соединительного провода, а на стороне низкого напряжения – измерительного кабеля приводит к тому, что параметры обоих частей схемы не подобны. Задача создания измерительного устройства сводится к выбору параметров, при которых отклонения импульса, регистрируемого осциллографом, от импульса измеряемого напряжения было минимально.

Передаточные свойства измерительной схемы определяются двумя частотными характеристиками: амплитудной и фазовой. Амплитудная характеристика дает зависимость амплитуды напряжения на выходе схемы от частоты при заданном напряжении на входе, а фазовая характеристика – фазовый угол между напряжениями на входе и выходе в зависимости от частоты. Знания первой из этих характеристик достаточно, чтобы определить искажение импульса.

Измеряемый импульс напряжения можно представить в виде спектра синусоидальных гармоник. Определив амплитуду каждой гармоники на выходе измерительного устройства и ее фазу, можно, просуммировав все гармоники, получить импульс на выходе.

В простейших схемах замещения делителей напряжения фазовая и амплитудная характеристики могут быть рассчитаны. Примерный ход этих характеристик для упрощенных схем замещения показан на рис. 1.7.

Для уменьшения искажений спектр основных гармоник должен лежать на линейных участках амплитудной и фазовой характеристик. Так делитель, показанный на рис. 1.7А, будет иметь малые искажения при низких частотах, делитель на рис. 1.7Б ‑ при высоких, а делитель на рис. 1.7В – в определенном диапазоне частот. Рис. 1.7. Упрощенные схемы замещения делителей и их амплитудные и фазовые характеристики

а – омический делитель с учетом емкости относительно земли; б - емкостный делитель с учетом входного сопротивления осциллографа R_вх; в - емкостный делитель с учетом R_вх индуктивности L и сопротивления R делителя и присоединения.

Реальные делители напряжения имеют более сложные схемы замещения, расчет их амплитудных и фазовых характеристик затруднителен. Однако они могут быть сняты экспериментально до определенных высоких частот.

Другой метод определения качества измерительной схемы в области высоких частот основан на расчетном или экспериментальном определении реакции на прямоугольный импульс При единичном воздействии напряжения на входе реакция на прямоугольный импульс есть не что иное, как так называемая переходная функция измерительной схемы.

Реакцию на прямоугольный импульс экспериментально определяют следующим способом. На вход собранной измерительной схемы подают периодические импульсы напряжения с фронтом нарастания не более 10^–9 с. Такие импульсы можно получить, используя механические коммутаторы, например, с ртутным реле или герконом. На выходе схемы осциллографом с полосой пропускания до 10⁹ Гц измеряют реакцию. Возможна оценка переходной функции на срез импульса, обеспечивая пробой малоиндуктивным искровым промежутком, помещенным в сжатом газе. На выходе схемы осциллографом фиксируют реакцию на срез. Иногда вместо среза используют разряд заряженного кабеля на волновое сопротивление через такой же искровой промежуток.

Все многообразие форм реакции на прямоугольный импульс можно свести к двум следующим характерным для делителей экстраполяциям:

((1.5) ((1.6)

Для первой характерным искажением является сглаживание фронта, а для второй – выбросы и затухающие колебания (рис. 1.8).

Рис. 1.8 Типичные реакции измерительных схем на прямоугольный входной импульс.

а - сглаживание фронта; б – возникновение затухающих колебаний.

Параметры  и  для простейших схем удается рассчитать, но чаще они определяются графически из снятой осциллограммы реакции на прямоугольный импульс. Коэффициент деления определяется параметрами схемы без учета переходных процессов.

Зная реакцию на прямоугольный импульс и параметры  и , можно определить реальные параметры импульса напряжения. И, наоборот, зная форму импульса измеряемого напряжения, можно при заданной погрешности определить допустимые  и , а также выбрать параметры делителя напряжения, воспользовавшись упрощенными схемами замещения и приближенными выражениями для  и .

На рис. 1.9 приведены зависимости погрешности измерения напряжения в различные моменты времени при измерении стандартного грозового импульса 1,5/40 измерительными устройствами, имеющими реакцию на прямоугольный импульс, выражаемую уравнением (1.6), с разными постоянными времени . Для достижения погрешности менее 1%, например, при t =1,2 мкс  должно быть менее 80 нс.

Рассмотрим основные особенности различных делителей напряжения, применяемых в импульсной технике высоких напряжений.

Рис. 1.9. Погрешность измерения напряжения во времени для импульса 1,5/40.