Измерение высоких напряжений. Делители напряжения

Делитель напряжения характеризуется коэффициентом деления К (называемым также передаточным отношением или масштабным коэффициентом), который вычисляют по формуле:

где  - напряжение, приложенное к делителю, и₂ - напряжение на его низковольтном плече, а   и  - полные сопротивления высоковольтного и низковольтного плечей делителя (рис. 9).

Рис. 23.9. Принципиальная схема делителя напряжения

Качество измерительной системы оценивается еечастотной характеристикой, а также временем нарастания напряжения Т и временем реакции на прямоугольный импульс Тр. Под временем нарастания напряжения понимают время, в течение которого рассматриваемый импульс возрастает от 0,1 до 0,9 максимального значения (рис.10).

При приложении к делителю напряжения прямоугольного импульса напряжения на выходе идеального делителя появляется прямоугольный импульс напряжения, ослабленный в соответствии с коэффициентом деления делителя. В реальном делителе, обладающем собственными емкостями и индуктивностями, импульс напряжения на выходе и₂(t) запаздывает по отношению к входному импульсу 41(t). Напряжение и₂(t) называется реакцией делителя на прямоугольный импульс. Отношение напряжения и(t)/К к реакции и₂(t) дает безразмерную функцию h(t), называемую реакцией на единичный прямоугольный импульс, или нормированной единичной переходной функцией. Она является временной зависимостью напряжения на выходе измерительного устройства при приложении единичного скачкообразного напряжения на его вход (рис.11).

Рис.10. К определению времени

нарастания импульса напряжения

При экспоненциальной зависимости h(t) время нарастания Т может быть найдено через постоянную времени . При t = имеем 0,1=1 - ехр(-/), а при t = t₂ имеем

0,9 = 1 - ехр(-/), откуда t₂- = Т =lg 9= 2,2.

Постоянную времени  можно определить по производной функции h(t) при t = 0. С другой стороны,  можно вычислить из заштрихованной на рис. 23.1 1 площади, равной

Высоковольтные делители напряжения обладают заметными собственными индуктивностями и емкостями. Поэтому функция h(t) обычно имеет колебательный характер и определение  по ее производной в момент t=0 невозможно. В этом случае делитель характеризуют временем реакции Тр, которое пропорционально заштрихованной площади (рис.12), заключенной между кривой h(t) и единичным прямоугольным импульсом

Рис.12. Определение реакции делителя при колебательном напряжении на выходе

Омические делители напряжения изготавливают из проволоки с большим удельным сопротивлением (например, нихромовой или константановой). Применение жидкостных или объемных угольных резисторов ограничено в связи с зависимостью их сопротивлений от температуры и приложенного напряжения. Для уменьшения индуктивности делителя проволоку наматывают бифилярно на специальный плоский либо цилиндрический каркасы из изолирующего материала. С целью повышения начального напряжения короны и улучшения охлаждения каркасы с намотанной проволокой помещают в изоляционные цилиндры с маслом.

Эквивалентная схема омического делителя с учетом паразитных параметров приведена на рис.13, где  L₀ и Со - активное сопротивление, индуктивность и емкость делителя на единицу длины, а С'₃ и С'_п - усредненные значения паразитных емкостей элементов делителя на землю и высоковольтный провод (также на единицу длины).

При этом эквивалентные параметры делителя высотой h равны

R =h; L = Lоh; С = Сo/h; С₃= С'₃h; С_П=С'_Пh.

Эти параметры существенно влияют на распределение напряжения вдоль делителя и вносят погрешность в измерение импульсного напряжения.

Рис.13. Схема для учета паразитных параметров омического делителя напряжения

На рис.14 приведены кривые распределения напряжения вдоль делителя в момент максимального значения импульса напряжения 0,75/5 мкс

Рис.14. Кривые распределения напряжения вдоль делителя при амплитудном значении импульса: 1 - R = 50 кОм; 2 - R=20 кОм; 3 - равномерное распределение

Кривые получены расчетным путем при значениях собственных емкостей неэкранированного делителя С3 = 150 пФ, С = 7,5 пФ и при пренебрежении влиянием индуктивности L. Как видно, с уменьшением сопротивления делителя R распределение напряжения вдоль него выравнивается. На рис. 23.15 показаны в относительных единицах импульсы напряжения