книги из ГПНТБ / Шваб А. Измерения на высоком напряжении. Измерительные приборы и способы измерения

Существенное уменьшение влияния на контур НыбОкого напряжения достигается путем ступенчатого урав­ нивания емкостей по отношению к земле [Л. 91]. Емко­ сти С'а на рис. 36 образуются из многих частичных емкостей. Корректировку их производят так, чтобы сту­ пени частичных емкостей соответствовали ступеням со­ противлений (рис. 39). Между точками 1 к 2 нужно подключить параллельно емкость Ci-z=C/3, между точ­ ками 2 и 3 — С2_з=ЗС'3, между точками 3 и 4 — С3-4= = 6С'з и т. д. и в общем виде

Сгг—(п+1)— 0,5н(Д+ 1) С з-

Для наглядного сравнения обоих описанных методов на рис. 40 приведены схемы двух емкостно-омических де­ лителей напряжений с равномерно распределенной и сту-

Рис. 40. Емкостно-омический делитель напряже­ ния с равномерным (а) и ступенчатым (б) урав­ ниванием емкостей по отношению к земле.

пенчатой компенсирующей емкостью. Смешанный дели­ тель напряжения с расположенной ступенями параллель­ ной емкостью оказывает значительно меньшее влияние на цепь высокого напряжения, чем делитель с равномер­ но распределенной погонной параллельной емкостью. Недостаток его — большая чувствительность к колеба-

50

ниям емкости по отношению к земле в зависимости от места установки и степени связи со стороной высокого напряжения. Во всех случаях рекомендуется градуиров­ ку делителя напряжения производить способом прямо­ угольного импульса в условиях, близких к действитель­ ным. Практические сведения об изготовлении делителей напряжения со ступенчатым расположением параллель­ ной емкости, которые применяются для исследований в импульсных схемах, приведены в [Л. 65].

Омический делитель напряжения с регулируемым по­ лем. Распределение электрического поля по емкостям можно сделать примерно таким же, как по активному сопротивлению, если в верхней части делителя преду­ смотреть регулируемый электрод, благодаря которому вокруг сопротивления, выполненного в виде колонны, создается равномерное электрическое поле, что равно­ значно исчезновению полей частичных емкостей по отно­ шению к земле. Практически достаточно однородное электрическое поле может быть получено только по­ средством электрода очень больших размеров. Поэтому Хагенгутом [Л. 92] было предложено регулируемый элек­ трод изготовлять в виде колокола, создающего частич­ ные емкости высоковольтного конца на элементы дели­ теля и компенсирующего зарядные токи через частичные емкости на землю.

Для выравнивания распределения электрического по­ ля в активной и емкостной частях может быть исполь­ зовано сопротивление, элементы которого выполнены с изменяющимся погонным сопротивлением [Л. 93]. Главное преимущество нелинейного погонного сопротив­ ления состоит в том, что у делителя получаются очень малые параллельные емкости и соответственно он не­ значительно влияет на цепь высокого напряжения. Что­ бы уменьшить электрическую нагрузку на материал со­ противления вблизи верхней части делителя, компенсацию регулированием сопротивления выполняют неполной и

сделать электрическое поле в верхней части делителя мало зависящим от места установки последнего. Однако получающаяся от регулируемого электрода продольная емкость в верхней части делителя вместе с индуктив­

ностью подводящих проводов ( L z) являются причиной

возникновения колебаний на кривой переходной функ­ ции. Для устранения или ослабления этого явления в подводящий провод к делителю (или лучше — между его верхней частью и регулирующим поле электродом) включают активное демпфирующее сопротивление Ra [Л. 42, 70] (рис. 41). В последнем случае демпфирующее сопротивление не влияет на номинальное передаточное отношение делителя.

Если предположить, что намотка сопротивления вы­ полнена так, что потенциал равномерно распределен по емкостям, а индуктивностью сопротивления можно пре­ небречь, то для предварительных исследований харак­ теристик передачи регулируемого омического делителя напряжения можно с достаточной степенью точности воспользоваться упрощенной схемой замещения, приве­ денной на рис. 42. Эта схема состоит из сосредоточенных элементов и имеет такую же переходную функцию, как идеально компенсированный емкостно-омический дели­ тель напряжения. Возможные колебания, которые накла­ дываются на переходную функцию, возникают из-за резонансного контура, состоящего из индуктивности под­ водящих проводов и параллельной емкости делителя на­ пряжения.

В качестве примера на рис. 43 показана конструкция современного омического делителя напряжения с регу-

52

лированием поля фирмы Хэфели. Этот делитель приго­ ден для напряжений до 2 МВ и имеет время нарастания переходной функции 30 нс при выбросе 10%. Ветвь с ак­ тивным сопротивлением состоит из сопротивления вели­ чиной 20 кОм. Параллельно ему подключена емкостная ветвь без электрических параллельных соединений. Регу­ лирующие поле электроды так­ же не имеют никаких электри­ ческих соединений непосред­ ственно к частям сопротивле­ ния делителя. Конструкция га­ рантирует отсутствие коронирования вплоть до номиналь­ ного напряжения.

Характеристики передачи регулируемого делителя на­ пряжения зависят главным об­ разом от формы и размеров регулирующего поле электро­ да, а также от распределения нелинейного сопротивленияПоэтому заключение о приме­ нимости данного делителя на­ пряжения для тех или иных измерительных целей следует делать не только на основании значения времени ответа, но и с учетом самой переходной функции и определяющих па­ раметров измерительной схе­ мы: рода и длины подводящих проводов и т. д. Другие под­ робности, касающиеся кон­ струкций практически выпол­ ненных делителей напряжения

ивида переходной функции

можно найти в [Л. 50, 73, 74].

Низкоомные делители на­ пряжения. Описанное в предыдущих параграфах исклю­ чение погрешностей переда­

53

лителя напряжения. Однако увеличение емкости ограни­ чивает применение делителей напряжения при очень быстрых изменениях напряжения. Есть и другие воз­ можности уменьшения времени ответа омического дели­ теля напряжения. Линейное распределение напряжения вдоль делителя можно получить также уменьшением сопротивления делителя. Значение сопротивления у та­ кого делителя обычно не более нескольких килоом [Л. 96—98]. В этом случае, естественно, возникает про­ блема влияния делителя на измеряемую цепь из-за его небольшого активного сопротивления и потерь мощности в нем. Даже для ГИН с очень большой емкостью в раз­ ряде, для которых нагрузкой от делителя напряжения можно было бы пренебречь, нельзя применять низкоом­ ные делители из-за большого потребления ими энергии. Поэтому их применение ограничивается измерением импульсов с крутым фронтом в схемах с малыми време­ нами ответа (^п<Л мкс).

Как видно из рис. 44, при заданном значении посто­ янной времени L/R4 уменьшением сопротивления делите­ ля нельзя получить любое уменьшение времени нараста­ ния переходной функции. При определенном значении сопротивления переходная функция приобретает колеба­ тельный характер 3. Интересно отметить также и то, что переходная функция к моменту времени t —( + 0) уже имеет конечное значение, зависящее от распределения напряжения по емкостям Сѵ и С3.

Если пренебречь индуктивностью и продольной емкостью конструктивных элементов омического делите­ ля, то ширина его полосы частот может быть вычислена по формуле

Д= 1 , 4 6 / ( Д С з ) .

Если переходная функция близка к экспоненте 2, то отсюда можно определить также время нарастания де­ лителя напряжения

Всегда имеющаяся у реального делителя напряжения индуктивность может в благоприятных случах способст­ вовать повышению вычисленной по этим уравнениям ширины полосы частот или соответствующему умень­ шению времени нарастания, без возникновения заметно­ го выброса переходной функции.

54

Для определения погрешностей передачи омическоічз делителя напряжения в настоящее время часто приме­ няют схему замещения, изображенную на рис. 45 [Л. 47, 100]. Переходная функция омического делителя напряже­ ния с распределенными емкостями по отношению к зем-

Рис. 44. Переходная функция' низкоомного делителя напря­ жения с различными значения­ ми сопротивления.

ле, если пренебречь индуктивно­ стями и паразитной продольной емкостью, имеет вид суммы мно­ гих экспонент. Эту сумму заменя­ ют чистой экспонентой так, что­ бы получилось одинаковое вре­ мя нарастания переходной функ­

емкостью по отношению к земле. Эта схема замещения справедлива только для сравнительно высокоомных дели­ телей напряжения, у которых для измеряемых частот CÖL<C /?I (постоянная времени L/R примерно в 10 раз меньше RC3 . У очень низкоомных делителей напряжения переходная функция имеет колебания, возникновение ко­ торых можно объяснить только наличием индуктивно­ стей. Но даже при учете емкостей по отношению к земле постоянная времени RC3/6 по рис. 45 не дает действи­ тельной характеристики передачи.

Например если для делителя напряжения с Ri= = 10 кОм и С3=40 пФ вычислить по [Л. 27] ширину по­ лосы

В = = 3,65 МГц

55

и время нарастания

*о='0,24/?Сз=96 нс,

то эти значения отображают действительную характери­ стику передачи. Если же исходить из постоянной време­ ни T= RC3/6, определенной для того же времени нара­ стания переходной функции, и вычислить для схемы за­ мещения по рис. 45 ширину полосы частот и время нара­ стания, то получим:

ß = 2^ = 2,4 МГц;

и

ta — —g - = 146 нс.

Если еще учесть, что из-за наличия индуктивностей эти значения увеличиваются, то в конечном итоге для верхнего предела частоты делителя напряжения получа­ ется заметная разница.

Если определить момент времени t, для которого пе­ реходная функция как для схемы замещения многозвен­ ного фильтра, так и для схемы по рис. 45 достигает значения 0,95 номинала, то приняв его за трехкратную постоянную времени, т. е. ѵ(ЗТ) =0,95, получим величину сосредоточенной емкости по отношению к земле, подклю­ ченной к отпайке делителя по рис. 45, равной С3/2. Эта схема замещения более близка к действительной харак­ теристике передачи омического делителя напряжения, однако значение эквивалентной емкости также слишком велико. Причиной этого в обоих случаях является то, что не учитываются волновые свойства делителя напря­ жения.

Идеальное определение сосредоточенной и подклю­ ченной к отпайке эквивалентной емкости получается, если предположить, что времена нарастания и ширины полос частот для обеих схем замещения одинаковы.

Для замещающей емкости в схеме по рис. 45 полу­ чим:

С=0,43С3.

Значения ширины полосы частот и времени нараста­ ния, рассчитанные с этой сосредоточенной замещающей

56

емкостью, подключенной к отпайке, совпадают с расчет­ ными значениями для схемы замещения, представлен­ ной в виде многозвенного фильтра [Л. 27].

У сравнительно высокоомных делителей напряжения, переходные функции которых соответствуют характери­ стике 7?С-цепочки, можно их время нарастания немного уменьшить посредством компенсации индуктивностью L на низковольтной стороне [Л. 50, 70, 80] (рис. 46). Та­

кое улучшение схемы можно найти, например, в каждом широкополосном усилителе [Л. 77, 99]. Прщоптимальной компенсации получается практически неощутимый вы­ брос (около 1%), а время нарастания у измерительного устройства удается уменьшить почти вдвое. В зависимо­ сти от соотношения полных сопротивлений измеритель­ ный кабель иногда требуется подключать к делителю че­ рез катодный повторитель.

Энергия, накопленная в индуктивности за промежуток времени ti, возвращается в течение времени t% (рис. 47). Накопление энергии в начальной стадии процесса умень­ шает время нарастания, но вызывает задержку в появле­ нии выходного сигнала.

Следует подчеркнуть, что компенсация индуктивно­ стью L применима только для очень высокоомных дели­ телей напряжения, так как у низкоомных делителей их естественная индуктивность обеспечивает эффект ком­ пенсации, а часто даже вызывает перекомпенсацию, что приводит к колебательному изменению переходной функ­ ции (рис. 44),

57

сти делителя, рассматриваемой в данном случае как ли* ния, то волновые колебания и колебания, возникающие из-за наличия индуктивности подводящих проводов, мож­ но сильно уменьшить без ухудшения характеристик передачи емкостного делителя напряжения.

б) Чисто емкостные делители напряжения

У чисто емкостных делителей напряжения различа­ ют два принципиально разных конструктивных исполне­ ния. У первого типа исполнения высоковольтная часть состоит из сосредоточенной емкости Си изоляция кото­ рой рассчитана на полное напряжение, подлежащее из­ мерению (рис. 48). Между напряжением на входе U i ( t ) и на выходе U z ( t ) существует независящее от частоты соотношение

Для очень высоких напряжений высоковольтная ем­ кость СI образуется электродом, связанным с высоко-

„ц пряжений(емкость верхнего пле-

низковольтной частью, конструктивно выполненной в виде измерительной каби­ ны [Л. 85, 101— 104].

На рис. 49 электроннолучевой осциллограф находит­ ся внутри измерительной кабины и короткими проводни­ ками электрически соединен с низковольтной емкостью.

59