Амплитуда испытательного грозового импульса может составлять (см. табл. 10-1) от нескольких десятков до 2500 кВ. При осциллографировании этого импульса напряжение на пластинах явления не должно превышать 2 кВ. Поэтому возникает необходимость уменьшения амплитуды осциллографируемого импульса в сотни и тысячи раз без существенного искажения его формы, для чего служат делители напряжения. Помимо того, через делители напряжения включаются амплитудные импульсные вольтметры, служащие для измерения амплитуды импульса (см. § 10-10).
Делитель подключают непосредственно к объекту испытания согласно рис. 10-22 таким образом, чтобы импульсный ток между ГИН и объектом не вызывал падения напряжения в проводке объект — делитель.
На искажение формы осциллографируемого импульса помимо самого делителя может влиять высоковольтная проводка объект — делитель (участок А—В на рис. 10-22), а также экранированный кабель длиной 20—40 м, подающий напряжение с нижнего плеча делителя на пластины явления осциллографа, расположенного вне испытательного поля.
Для количественной оценки искажения формы импульса, вносимого измерительной системой делитель — проводка, служат два следующих взаимозаменяемых метода.
- Определение реакции на прямоугольный импульс. Напряжение от генератора прямоугольных импульсов подают на высоковольтную проводку в точке, где должен подсоединяться объект испытания (точка Л на рис. 10-22), и осциллографируют импульс напряжения на выходе системы (на пластинах явления осциллографа). Полученная на осциллограмме кривая и называется реакцией на прямоугольный импульс.
Рис. 10-22. Включение срезающего разрядника и делителя напряжения; нормированная петля среза.
Р— срезающий разрядник; Т —объект испытания; Д — делитель напряжения.
Рис. 10-23. Реакция измерительной схемы на прямоугольный импульс. а — апериодическая; Т — время реакции; б — колебательная; Т-Т1—Т2+Т3—Т4
Если реакция имеет колебательный характер (рис. 10-23,б), то берут алгебраическую сумму площадей, лежащих ниже и выше единичной линии, причем первые считают положительными. Согласно ГОСТ 17512-72 [Л. 9-2] при осциллографировании стандартного грозового импульса, полного или срезанного, время реакции измерительной системы не должно превышать 0,2 мкс, а при колебательной реакции частота колебаний должна быть не менее 3 МГц (для правильной передачи формы колебаний после среза может потребоваться меньшее время реакции).
При записи реакции на прямоугольный импульс фронт импульса, подаваемого в точку А, не должен превышать 0,1 мкс. Для этой цели можно использовать низковольтный повторно срабатывающий генератор прямоугольных импульсов. В этом случае выходное напряжение регистрируют осциллографом с усилителем, имеющим полосу пропускания нс менее 10 МГц.
2. Снятие амплитудно-частотной характеристики. В точку схемы рис. 10-22 подают напряжение от генератора синусоидальных колебаний с регулируемой в широких пределах частотой. С помощью милливольтметра или осциллографа с широкополосным усилителем снимают кривую амплитуды выходного напряжения системы в функции частоты при постоянном напряжении генератора. Приблизительное постоянство выходного напряжения в некоторых пределах частоты означает, что импульс, не содержащий частот, выходящих за эти пределы, передается системой без искажения.
Указанному условию, чтобы собственная частота измерительной системы была не менее 3 МГц, соответствует требование, чтобы при меньших частотах амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) не имела резких пиков или провалов. За нижний предел частоты с учетом необходимости осциллографировать коммутационные импульсы нужно принять 100 Гц; АЧХ системы может считаться удовлетворительной, если в указанных пределах частоты выходное напряжение не отклоняется от среднего значения более чем на ±3 дБ (в 1,41 раза). Пример АЧХ дан на рис. 10-27.
Существуют различные типы делителей. Наиболее простым является омический делитель, состоящий из резисторов (рис. 10-24,а). Здесь η — сопротивление высоковольтного плеча ВН, рассчитанное на полную амплитуду импульса. Чтобы не вызвать существенного снижения длительности импульса, значение должно быть не менее 10 кОм. Наличие соединительного экранированного кабеля К между плечом НН делителя и пластинами явления осциллографа не вносит искажений, если полностью устранено отражение волны напряжения от его конца, для чего концевое сопротивление должно равняться волновому сопротивлению кабеля:
Рис. 10-24. Схемы делителей импульсного напряжения: а — омический; б — параллельный емкостно-омический; в — емкостный; г — демпфированный емкостный; 1 — первичный потенциал; ПЯ — пластины явления осциллографа.
(10-33)
где Lк и Ск — индуктивность и емкость кабеля [Л. 10-11].
Обычно zK=60-:-80 Ом. Коэффициент деления
(10-34)
где
(10-35)
Искажение формы импульса вносится наличием распределенной паразитной емкости Спар между делителем и землей (рис. 10-24,а). Действие этой емкости сказывается в неравномерном распределении напряжения по высоте делителя в первый момент после подачи на него прямоугольного импульса, в результате чего начальное напряжение на плече НН оказывается близким к нулю. В дальнейшем напряжение на плече НН постепенно повышается до значения, соответствующего расчетному коэффициенту деления по (10-34). Таким образом, реакция делителя на прямоугольный импульс носит апериодический характер (рис. 10-23,а). Если в первом приближении принять, что емкость Спар сосредоточена посередине высоты делителя, получим для времени реакции:
(10-36)
т. е. искажение растет с увеличением сопротивления делителя и суммарной паразитной емкости; последняя зависит главным образом от геометрических размеров делителя и возрастает при увеличении номинального напряжения.
Искажение, вносимое паразитной емкостью, в значительной мере устраняется устройством у верхнего и нижнего концов делителя кольцевых экранов с диаметром около половины его высоты. Распределенная емкость делителя на экраны обеспечивает близкое к равномерному начальное распределение напряжения по его высоте и уменьшает время реакции на прямоугольный импульс. Экранированный омический' делитель завода «ТУР» типа SMR-10/2200 на номинальное напряжение 2,2 МВ имеет по фирменным данным время реакции всего 0,01 мкс при сопротивлении 10 кОм, высоте 6,7 м и диаметре экранов около 2,7 м (рис. 10-25).
Во избежание искажений остаточная индуктивность резисторов должна быть минимальной.
Дальнейшим развитием омического делителя является параллельный емкостно-омический делитель (см. рис. 10-24,б). Здесь высоковольтное плечо представляет собой цепочку резисторов, шунтированных равными конденсаторами. Значительная продольная емкость порядка сотен пикофарад устраняет влияние паразитной емкости на землю на начальное распределение напряжения. Схема соединения с пластинами явления здесь та же, что и для омического делителя. Для удовлетворительной реакции на прямоугольный импульс необходимо равенство постоянных времени обоих плеч делителя:
Рис. 10-25. Экранированный омический делитель завода «ТУР» типа SMR-10/2200 на напряжение 2200 кВ.
Коэффициент деления, как и выше, определяется из (10-34).
Завод «ТУР» поставляет параллельные емкостно-омические делители, служащие одновременно нагрузочной емкостью и конструктивно связанные с ГИН, на напряжение до 7,2 МВ. Однако завод не указывает для этих делителей времени реакции или предельной частоты. Включение делителя непосредственно на ГИН, а не на объект испытания не позволяет получить на осциллограмме размер перехода напряжения на вводе объекта через нуль при срезе импульса (см. § 10-11).
В случае емкостного делителя (рис. 10-24,в) паразитная емкость не искажает форму импульса. Если емкость делителя С1 достаточно велика (порядка сотен пикофарад), можно пренебречь влиянием паразитной емкости и на коэффициент деления. Для емкостного делителя несколько осложняется присоединение пластин явления к плечу НН. Наиболее точной является схема, при которой емкость низковольтного плеча разбивается на две составляющие С2 и С3, включаемые на обоих концах соединительного кабеля. Кроме того, последовательно с кабелем на обоих его концах для частичного погашения отраженных волн включаются резисторы с сопротивлениями (на рис. 10-24, в емкость С3 и сопротивления показаны пунктиром).
Поскольку Ск<С2 этой разницей можно пренебречь и принять для коэффициента деления среднее значение:
(10-44)
Паразитная индуктивность плеча НН емкостного делителя может исказить форму его выходного напряжения. Поэтому нужно обратить особое внимание на то, чтобы в качестве емкости С2 использовался высокочастотный конденсатор с минимальной индуктивностью и чтобы длина проводки на участке ab была наименьшей возможной.
Емкостный и параллельный емкостно-омический делители имеют общий недостаток: индуктивность проводки высокого напряжения между объектом испытания и делителем (участок BD на рис. 10-22), суммируясь с паразитной индуктивностью самого делителя, образует с его емкостью колебательный контур, причем частота колебаний может оказаться ниже нормированной минимальной частоты системы (3 МГц). На ЛЧХ делителя это скажется появлением резкого резонансного пика. Форма выходного напряжения, в особенности при осциллографировании срезанного импульса, может исказиться. Для борьбы с этими искажениями желательно приблизить делитель к объекту испытания, уменьшая тем самым индуктивность проводки. Однако это не всегда возможно по условиям расположения оборудования. Другой путь уменьшения индуктивности заключается в том, чтобы выполнить проводку объект —делитель тонкой металлической полосой шириной несколько десятков сантиметров (например, из фольги, наклеенной на электрокартон). Такой же полосой нужно соединить точки заземления объекта испытания Е и делителя F, если испытательное поле не имеет сплошного немагнитного металлического покрытия. Наконец, есть возможность демпфировать нежелательные колебания, введя в проводку объект —делитель резистор с соответствующим сопротивлением rд, показанный пунктиром на рис. 10-22:
(10-45)
где Lпp — индуктивность проводки.
Однако при этом создается апериодическая реакция на прямоугольный импульс, время которой Т=rдС1 может превзойти допустимое значение. Этого недостатка лишен демпфированный емкостный делитель (последовательный RС-делитель), имеющий демпфирующие резисторы в обоих плечах (рис. 10-24,г). Суммарное значение демпфирующих сопротивлений резисторов не больше 1 кОм, т. е. на порядок меньше, чем сопротивление чисто омического делителя. Поэтому паразитная емкость на землю практически не влияет на распределение напряжения по делителю. Должно соблюдаться условие равенства постоянных времени обоих плеч:
(10-46)
Соединение с пластинами явления можно осуществлять по тем же схемам, что и для чисто емкостного делителя, причем нужно принять:
(10-47)
а при установке емкости С3 в конце соединительного кабеля можно в первом приближении использовать (10-40) и (10-41). В случае применения демпфированного емкостного делителя может уменьшиться переход напряжения через нуль при срезе грозового импульса, так как сопротивление R1 демпфирует колебания в контуре среза.
В ВЭИ имени В. И. Ленина изготовляются передвижные демпфированные емкостные делители напряжения на 3000—3500 кВ. При этом для уменьшения паразитной индуктивности используют конусные керамические конденсаторы и объемные резисторы, размещенные в двух параллельных колоннах (рис. 10-26). Данные делителя на 3000 кВ: высота 8,5 м; C1=140 пФ; R=9000 Ом; rд=680-:-1330. Часть сопротивления равная 150 Ом, включена непосредственно в воздушную проводку для демпфирования ее собственных колебаний. Экспериментально определенное время реакции делителя на прямоугольный импульс не превышает 0,02 мкс при следующих условиях: длина воздушной проводки равна высоте делителя, длина соединительного кабеля 45 м, емкость С3 отсутствует; АЧХ, снятая при тех же условиях, удовлетворительна вплоть до частоты 10 МГц (рис. 10-27).
Рис. 10-26. Демпфированный емкостный делитель ВЭН имени В. И. Ленина на напряжение 3000 кВ.
Рис. 10-27. Амплитудно-частотная характеристика демпфированного емкострого делителя ВЭИ имени В. И. Ленина на напряжение 3000 кВ.
Рис. 10-28 Подключение пластин явления ПЯ осциллографа к точке 2 основного делителя через дополнительный емкостный делитель НН.
У всех делителей описанных типов присоединение пластин явления к выходному концу соединительного кабеля при съемке грозовых импульсов рекомендуется производить через дополнительный емкостный делитель НН, не показанный на рис. 10-24, с помощью которого можно регулировать амплитуду изображения на экране осциллографа (рис. 10-28). Ёмкость дополнительного делителя ввиду своего малого значения (порядка 100 пФ) практически не влияет на параметры измерительной системы. равно как и сопротивление гдп=500-:-1000 Ом, которое рекомендуется включать последовательно с пластинами явления для демпфирования высокочастотных колебаний в контуре ab0d. Пластины явления, как правило, шунтированы в осциллографе сопротивлением утечки rу порядка нескольких мегаом.
