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

Определим переходную функцию для всей схемы за­ мещения делителя напряжения по рис. 60 и 61. Для этого необходимо знать коэффициент передачи и(р) системы.

нию Us, снимаемому с низковольтной части из п таких же элементов, определяется по уравнению [Л. 87]

On________sh VZt/Zg

и * ~ [sh (n/N) V z j z ^ '

Если для параллельного и последовательного полных сопротивлений подставить соответствующие величины из рис. 61 и одновременно заменить значение /со оператором р, получим следующее выражение для коэффициента пе­ редачи:

(R pL 1/рС) рС3

Воспользовавшись теоремой разложения Хевисайда, можно вычислить переходную функцию делителя напря­ жения [Л. 51]

“ ( 0 = 1 — б і г ^ е д + 2 » - “ ' £ ( - О ’ Х

Сделанные в этом выводе предположения, что Cp<g;C, Сз-сС и я-CJV, справедливы практически для всех типов делителей напряжения.

70

Переходная функция активного делителя напряжения получается из" приведенного выше уравнения при С=оо. Это уравнение еще больше упрощается, если принять Ь = 0 и Ср = 0 ; тогда

о (Q = 1 + 2 f ( - 1)* ехр [ - %2k2l(RC3 ]. k-\

Последнее выражение приводит к рассмотренной вы­ ше упрощенной схеме замещения омического делителя напряжения (см. рис. 45). Определение переходной функ­ ции с учетом параметров всех конструктивных элементов сопряжено с значительными трудностями. Числовое зна­ чение этой переходной функции можно найти для всех практически существующих делителей напряжения на электронной вычислительной машине [Л. 51].

10. ИЗМЕРЕНИЕ ИМПУЛЬСОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СПОСОБОМ ПРИ ПОМОЩИ ЯЧЕЙКИ КЕРРА И СВЕТОПРОВОДА

Иногда импульсное напряжение, подлежащее измерению, по­ дается на два зажима и между ними и землей имеется определен­ ная разность потенциалов. Может быть также, что схема уже за­ землена в другом месте или во время подачи импульса потенциал земли в рабочей цепи повышается, создавая разность потенциалов между землей рабочей цепи и землей измерительной цепи. В том и другом случаях потенциалы обоих зажимов отличаются от потен­ циала земли измерительной цепи и эта разность потенциалов про­ является в виде синфазного сигнала помех. Для его подавления можно, как это было рассмотрено ранее, с успехом использовать дифференциальный усилитель. При этом предполагается, что коэф­ фициент синфазного подавления для амплитуды и частоты синфаз­ ного сигнала имеет достаточную величину. При синфазных сигналах с большой амплитудой необходимо перед входом дифференциаль­ ного усилителя включать широкополосный делитель напряжения, который из-за своей неизбежной несимметрии сильно снижает ко­ эффициент синфазного подавления, в частности, при высоких ча­ стотах. При малом коэффициенте синфазного подавления или там, где описанные выше способы подавления напряжения помех недо­ статочны, можно применить принцип электрического разделения ра­ бочей и измерительной цепи, показанный на рис. 62 [Л. '24, ПО]. Импульсы напряжения, подлежащие измерению, подают на зажимы ячейки Керра 1 [Л. 111— 114]. Оба поляризатора 2 скрещены, так что ячейка Керра заперта. Перед ячейкой находится источник све­ та 3, питаемый постоянным напряжением. Луч света от этого ис­ точника направлен на переднюю сторону ячейки. Импульс напряже­

71

ячейки, свойства двойного преломления и приводит тем самым к по­ вороту плоскости поляризации. В зависимости от'‘амплитуды при­ ложенного напряжения устройство отпирается в большей или мень­ шей степени. Выходящий из ячейки луч света по светопроводу 5 передается на катод фотоумножителя 6 и затем фиксируется элек-

Рис. 62. Измерение высоких импульсных напряжений электрооптическим способом при помощи ячейки Керра и све­ топровода [Л. 24].

троннолучевым осциллографом 7. Светопровод (волоконная оптика)

ной кабине 8 с сетевой 'блоки­ ровкой, что обеспечивает защи­ ту от помех, поступающих по проводам либо индуцируемых

в измерительной цепи. Наводки от тока в оболочке кабеля и элек­ трических измерительных проводах здесь совершенно отпадают. Искровой промежуток 9 защищает ячейку от опасного повышения напряжения.

Ячейки Керра в настоящее время изготовляются для импульс­ ных напряжений от нескольких десятков до 500 кВ [Л. 27] (рис. 63).

П

Ёмкость ячеек Керра шорядка нескольких іпикофаірад, так что их йод* ключение незначительно влияет на измеряемую цепь. Недостаток этого способа измерения состоит в том, что интенсивность луча све­ та оказывается нелинейной

пряженности электрического поля.

Поэтому полученные осциллограммы приходится расшифровы­ вать графическим способом {Л. 25—27]. Погрешность при измере­ ниях амплитудных значений не превышает нескольких десятых до­ лей процента.

Г л а в а т р е т ь я

ИЗМЕРЕНИЕ ВЫСОКОГО ПОСТОЯННОГО, ИМПУЛЬСНОГО И ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

11.ИЗМЕРЕНИЕ ВЫСОКОГО ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

ИДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

а) Высокоомные сопротивления и делители напряжения

В технике измерений низких напряжений расшире­ ние пределов измерения вольтметров производится путем последовательного подключения к измерительному при­ бору добавочного сопротивления соответствующей вели­ чины. Подобным образом можно измерять и высокие по­ стоянные напряжения (рис. 64). В этом случае измеряют чувствительным прибором магнитоэлектрической системы ток I, протекающий по известному высокоомному сопро­ тивлению R. Напряжение, приложенное к измерительно­ му устройству, равно U=IR. При этом пренебрегают падением напряжения на амперметре, что вполне допу­ стимо, так как его внутреннее сопротивление очень мало. Рекомендуется параллельно амперметру включать предо­ хранитель с инертным газом (Ü) для защиты прибора при пробое высокоомного сопротивления. Защитное дей­ ствие предохранителя с инертным газом может быть по­ вышено, если его подключить не непосредственно парал­ лельно амперметру, а одним концом к отпайке измери­ тельного сопротивления, как это показано на рис. 64. В этом случае при возникновении пробоя срабатывание предохранителя происходит значительно раньше.

73

Значение добавочного сопротивления выбирается тйким, чтобы при полном напряжении протекал ток поряд­ ка сотен микроампер. В зависимости от внутреннего сопротивления источника напряжения могут быть целе­ сообразны меньшие или большие значения этого тока. Для статических источников напряжения этот способ

следовательного соединения большо­ го числа отдельных элементов сопротивлений. Цепочку сопротивлений для высоких напряжений наматывают на гетинаксовый цилиндр’и погружают в масло, чтобы из­ бежать явления коронирования, а также с целью дости­ жения лучшего и более равномерного теплоотвода. При этом необходимо следить за тем, чтобы падение напря­ жения между отдельными витками не приводило к про­ бою по поверхности изолирующей трубки. Допустимы значения напряжений менее 5 кВ/см в воздухе при нор­ мальном давлении и до 15 кВ/см в масле. Для напряже­ ния до 100 кВ достаточно поместить сопротивления в за­ полненный маслом поливинилхлоридный шланг, концы которого снабжены экранами для защиты от коронирова­ ния (рис. 65). Элементы могут быть выполнены из угле­ родистых пленочных, металлических пленочных, компози­ ционных и проволочных сопротивлений. Следует упо­ мянуть еще о проводящей резине, примененной при из­ готовлении измерительных сопротивлений для постоян­ ных напряжений до 2 МВ ![Л. 124]. Для небольших значе­ ний сопротивлений пригодны высокоомный кордель и

74

тканное сопротивление, благодаря их высокой стабильно­ сти 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 сопротив­ лением. Тканное сопротивление состоит из изолирующей прядильной основы (асбест, стеклошелк), в которую вот­ кано кордельное или проволочное сопротивление. При очень больших значениях сопротивлений необходимы слишком малые диаметры проволок, весьма чувствитель­ ных к механическим нагрузкам, поэтому для этого слу­ чая пригодно только последовательное соединение боль­ шого числа отдельных элементов сопротивлений *. В ка­ честве последних используются применяемые в радио­ технике и электронике углеродистые и металлические пленочные сопротивления с допускаемой нагрузкой около 2 Вт. У специальных спиральных высоковольтных пле­ ночных сопротивлений при изготовлении предусматрива­ ют 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 градуиров­ ке всего измерительного устройства. Выше определенного начального диапазона напряжений значения сопротивле­ ний изменяются незначительно. Поэтому величины от­ дельных сопротивлений нужно выбирать так, чтобы из­ меряемое напряжение было за пределами начального диапазона.

При более жестких требованиях к точности измерений необходимо учитывать температурный коэффициент со­ противления а. Высокоомные углеродистые пленочные сопротивления имеют температурный коэффициент по­ рядка ± 5 - ІО-4 1/°С. Точная величина его дается в от­

дельных случаях изготовителем сопротивлений. Действи­ тельное значение сопротивления при повышенной темпе-1

1 В СССР освоено производство микропроволочных сопротивле­ ний из очень тонкой проволоки в стеклянной изоляции, единичное сопротивление которых достигает 0,1 МОм, а также делителей на­ пряжения постоянного тока из них (Драбенко И. Ф., Зеликовский 3. И. Высоковольтные измерительные сопротивления из остек­ лованного манганинового микропровода. — «Электротехника», 1963, № 11). Пр и м. р е д.

75

ратуре может быть вычислено по известной формуле

в 10 раз меньший температурный коэффициент; кроме

того, они более стабильны, чем углеродистые пленочные сопротивления.

Все типы пленочных сопротивлений чувствительны к импульсным пере­ грузкам, которые приводят к повыше­ нию номинального значения сопротив­ ления. Даже в том случае, когда у со­ противления в целом при измерении напряжения нет никаких оснований ожидать импульсных перегрузок, при определенных режимах и испытаниях могут (как будет подробно показано ниже) возникнуть•перегрузки отдель­ ных элементов. В этих случаях рацио­ нально применять композиционные со­ противления, которые менее чувстви­ тельны к импульсным нагрузкам. Ком­ позиционные сопротивления реагируют на импульсную перегрузку уменьше­ нием их значений, это обусловлено спеканием отдельных частиц сопротив­ ления. Изредка наблюдается также и

увеличение сопротивления. Недостатком композицион­ ных сопротивлений является сравнительно большой тем­ пературный коэффициент.

■"Влияние напряжения и температуры можно исклю­ чить, если высокоомное сопротивление изготовить в виде делителя напряжения, оба плеча которого выполнены из одинаковых элементов (рис. 6 6 ). Тогда высокое напря­

жение определяют по передаточному отношению делите­ ля и по напряжению, которое показывает электроста­ тический вольтметр, подключенный к низковольтной ча­ сти делителя. Если все элементы делителя имеют одина­ ковое превышение температуры (что при горизонтальном расположении сопротивлений более вероятно, чем при их вертикальной установке), то относительные измене­ ния сопротивления конструктивных элементов от темпе­ ратуры и напряжения не входят в передаточное отноше­ ние.

76

В делителе постоянного напряжения и в высокоом­ ном добавочном сопротивлении нужно позаботиться о по­ давлении утечек и коронирования, используя соответст­ вующие конструкции, применяемые в ТВН. В качестве примера на рис. 67 показана конструкция прецизионного

ное сопротивле­ ние с распреде­ ленными емко­ стями.

делителя напряжения. При внезапном сниже­

нии нагрузки или корот­ ком замыкании источни­ ка постоянного напряже­ ния, например вследствие пробоя у испытуемого объекта, омические ’до­

бавочные сопротивления и делители постоянного напря­ жения могут быть легко разрушены. Снижение нагрузки или короткое замыкание действуют на измерительное сопротивление подобно приходу падающей волны. Как было показано ранее для делителей импульсного напря­ жения, распределенные емкости по отношению к земле протяженного высокоомного сопротивления являются

77

причиной нелинейного распределения по нему напряже­ ния при высоких частотах. Это приводит к значительной перегрузке напряжением первого элемента сопротивле­ ния со стороны высокого напряжения. Чтобы устранить эту опасность, между отдельными витками сопротивле­ ния включают конденсаторы, которые при переходных процессах выравнивают распределение напряжения (рис. 6 8 ). Кроме того, эти конденсаторы уменьшают по­

стоянную времени измерительного сопротивления.. Такое

Рис. 69. К определению пульсации по­ стоянного напряжения.

требование возникает при измерении напряжения на регулируемых источниках постоянного напряжения для ускорителей.

В заключение следует отметить, что при пульсирую­ щем постоянном напряжении и применении прибора маг­ нитоэлектрической системы в качестве амперметра изме­ ряется среднее арифметическое значение, а при приме­ нении электростатического вольтметра (если пренебречь распределенной емкостью по отношению к земле) — дей­ ствующее значение высокого напряжения.

Пульсация постоянного напряжения (%) определяет­ ся из рис. 69 по формулам [Л. 120]

где V — среднеарифметическое значение.

Помимо этого определения существуют еще понятия пульсаций действующего и пикового значений, но их применяют редко [Л. 120].

Пульсации постоянного напряжения могут быть опре­ делены по схеме, приведенной на рис. 70. Через вспомо-

78

гательную емкость Сң, выбираемую по наибольшему мгновенному значению напряжения, отводится перемен­ ная составляющая высокого напряжения к электронно­ лучевому осциллографу. При подключении вспомогатель­ ной емкости к высокому напряжению выключатель S должен быть замкнут, так как во время заряда конден­ сатора Сн до среднего арифметического значения посто­ янного напряжения кратковременно протекает большой зарядный ток. Если бы выключатель был разомкнут или

Рис. 70. Измере­ ние пульсаций, воз­ никающих в по­ стоянном напря­ жении при вы­ прямлении по однополупериодной схеме.

/?д — демпфирующее сопротивление.

его вовсе не было, то через входное сопротивление элек­ троннолучевого осциллографа протекал бы импульс то­ ка, 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 дополни­ тельным коммутационным положением «земля». В этом положении закорочен вход усилителя и от него отклю­ чено входное гнездо осциллографа. Такой переключа­ тель, естественно, не может заменить отдельный выклю­ чатель 5.

Значение емкости Сн следует выбирать больше емко­ сти Сэ .0 (сумма емкостей электроннолучевого осцилло­ графа и кабеля), чтобы сопротивление 1/соСн было для

основной частоты пульсаций значительно меньше актив­ ного входного сопротивления R3.0 электроннолучевого осциллографа. В противном случае конденсатор Сн вместе с элементами схемы СЭі0 и R3,0 действует как частотно­

зависимый делитель напряжения и измеренная пульсация получается меньше действительной.

Применение наглядного и простого способа измере­ ния постоянного напряжения при помощи высокоомного добавочного сопротивления и вольтметра или амперме­ тра при измерении высоких переменных напряжений свя­ зано с значительными трудностями. Помимо зависимости

79