2.6.1. Дільники для вимірювання високих напруг

Одним зі способів вимірювання високих напруг різного виду є дільники напруги. Використання дільників напруги з електронними осцилографами дозволяє одержати велику інформацію про параметри вимірюваної напруги.

Застосовуються дільники наступних типів: омічні, ємнісні й омічно-ємнісні. Розглянуті прилади мають відносно малу похибку вимірювання, невелику вхідну ємність і дозволяють вимірювати діюче значення напруги і постійну напругу в межах до 300 кВ.

Кульовий вимірювальний розрядник досить широко використається для виміру високих напруг завдяки простоті пристрою й прийнятної для практики точності, яку можна одержати при правильній методиці виміру з дотриманням певних вимог. Дільник, являючи собою ланцюжок послідовно включених активних або реактивних опорів, є своєрідною передатною ланкою в ланцюзі виміру й певним чином повинен впливати на точність вимірювання. У зв'язку із цим до дільників напруги пред'являється досить жорстка основна вимога: напруга на низьковольтному плечі дільника повинне за формою повторювати вимірювану напругу. Це значить, що коефіцієнт розподілу не повинен залежати від частоти і величини вимірюваної напруги. Крім цього, на коефіцієнт розподілу не повинні впливати зовнішні електростатичні й електромагнітні поля, корона і витоки по ізоляційній конструкції дільника.

Передатним відношенням (коефіцієнтом розподілу) дільника, що складається з N однорідних елементів з опором Z, називають відношення напруги, підведеної до дільника (U₁) до величини напруги, що знімається з низьковольтної частини дільника (U₂).

Еквівалентна схема такого дільника в загальному випадку має вигляд, представлений на рис. 2.18, б, де дільник розглядається як лінія з розподіленими параметрами кінцевої довжини, заземлена на одному кінці. Позначення на схемі відповідають: R', С' і L' – власний опір, ємність й індуктивність одного елемента; С'_x – поздовжня ємність одиниці довжини; С'_е – ємність одиниці довжини щодо землі. Із цієї загальної схеми можна одержати, як окремі випадки, практичні схеми будь-якого типу дільника. Питанням теорії дільників напруги і їхніх застосувань у техніку високих напруг присвячена достатня кількість робіт, наприклад [6, 7]. Нижче ми розглянемо деякі принципові питання роботи дільників при вимірюванні високих напруг.

При вимірюванні високих постійних напруг найчастіше використовують стрілочні прилади (мікро- і міліамперметри) з додатковими опорами або активні дільники напруги.

Рис. 2.18. Принципова схема дільника напруги (а) і його схема заміщення (б)

Принципову схему такого дільника можна одержати, якщо в загальній схемі заміщення (рис. 2.18, б) припускати С'_x і L' рівними нулю, а С' рівними нескінченності. Вплив струмів витоку по ізоляції резисторів дільника можна врахувати опором витоку одиниці довжини (R'_у), включеним замість С'_е на землю. Точність вимірювання такого дільника буде визначатися в основному якістю резисторів. Зі збільшенням вимірюваної напруги похибка зростає. Основними причинами цього є: вплив струмів витоку по ізоляційній конструкції дільника, виникнення коронного розряду, залежність опору від температури й нелінійності резисторів від напруги.

При створенні дільників для вимірювання постійних напруг використовують дротові або керамічні резистори. Дротові опори виготовляються з манганіну, константану, ніхрому й інших металів з високим питомим опором або замість них використовують дротові резистори,що випускаються промисловістю,…С5-23…С5-25 і ряд інших. Як опори можуть використовуватися керамічні об'ємні (ТВО) і резистори КЕВ із плівковим провідним покриттям.

При вимірюванні змінних і імпульсних високих напруг використовують омічні, ємнісні і ємкісно-омічні дільники. Причиною появи похибок при вимірюванні мінливих у часі напруг є паразитні параметри, а саме С'_x, С'_е і L' (рис. 2.18, б). Наявність цих елементів викликає збільшення часу наростання напруги, поява коливань і нерівномірність розподілу напруги по елементах дільника, пов'язаного зі струмами на зарядку ємностей С'_е.

Омічний дільник напруги (С' = ¥,рис. 2.18, б). Індуктивність дільника є небажаним, але неминучим параметром, властивому будь-якому дільнику. Величина її залежить від конструктивного виконання дільника і пропорційна його довжині. Причому коефіцієнт пропорційності має порядок (10^–6...10…10^–5)Гн/м.

При вимірюванні змінних напруг промислової частоти впливом індуктивності на точність вимірювання можна знехтувати.

При вимірюванні імпульсної напруги похибка, пов'язана з індуктивністю, починає зростати. Ця похибка пов'язана з виникненням коливань. Вплив індуктивності істотний для низкоомних дільників, у яких опір порядку 400 Ом і менше. Для високоомних дільників впливом індуктивності можна знехтувати. Умовою відсутності коливань, пов'язаних з індуктивністю, є нерівність . Необхідно відзначити, що виконання цієї умови можна домогтися тільки одночасним зменшенням L і C_е. Зменшити вплив індуктивності на вимірювану напругу можна, використовуючи малоіндуктивні опори й дротові опори з біфілярним намотуванням.

На характер передачі форми напруги вирішальний вплив робить ємність дільника на землю C_е. Ця ємність нерівномірна по довжині дільника і її наявність приводить до нерівномірного розподілу напруги уздовж його довжини.

При вимірюванні напруг промислової частоти виникають похибки, які визначаються в основному добутком R·C_е. Виділяють амплітудну dU і кутову dj похибки, які можуть бути виражені dU = –0,3(wt_е)² и dj = arctg(wt_е). Аналіз показує [7], що застосування дільників малого опору і малих габаритів дозволило б зменшити похибки. Однак габарити дільника будуть визначатися максимальною допустимою напругою вздовж дільника, а зменшення опору приведе до відбору потужності і впливу дільника на виміряну напругу.

При вимірюванні імпульсних і високочастотних напруг омічним дільником виникають ще більш складні проблеми, пов'язані з високою швидкістю наростання напруги. Перехідна функція омічного неекранованого дільника при впливі прямокутного імпульсу з урахуванням деяких допущень має вигляд

, (2.5)

де n/N – величина, зворотна коефіцієнту розподілу. Другий доданок представляє суму експонент із постійної часу t_до = RC_е/(кp)² і характеризує нелінійність розподілу напруги, тобто  похибку вимірювання. Для зменшення похибок необхідно зменшити t_к, тобто  використати малогабаритні низкоомні дільники, що обмежується, як уже вище говорилося, максимальною припустимою напруженістю і відбором потужності. Крім цього, опір дільника є розрядним для імпульсних генераторів і не може бути обраний довільно малим, тому що він визначає форму імпульсу.

Одним із шляхів зниження похибок омічних дільників є збільшення власної поздовжньої ємності С_х, тобто  вирівнювання розподілу напруги по довжині. Цього можна домогтися або включенням ємності паралельно високоомному плечу (компенсований дільник), або використанням екранів. Вплив екранів пов'язане з вирівнюванням електричного поля і компенсацією струмів, що відтікають, через ємність щодо землі. Для такого дільника перехідна функція при впливі прямокутного імпульсу в першому наближенні має вигляд

(2.6)

де t = RC_х.

Неважко переконатися, що ідеальна передатна характеристика буде при максимально великому відношенні С_х/С_є. У практиці для створення таких дільників досить мати співвідношення С_х/С_є> 3...5,т. к. при більших значеннях дільник буде представляти більше ємнісне навантаження імпульсним установкам і впливати на вимірювану напругу.

Ємнісний дільник (R^/ = 0, L^/ = 0, рис. 2.18, б). Як відзначалося при розгляді омічного дільника, зниження похибки можна домогтися збільшенням поздовжньої ємності Сх. З ростом частоти при досить великому відношенні С_х/Сє розподіл напруги буде визначатися струмами через ємнісну провідність. Таким чином, можна зробити висновок про доцільність застосування чисто ємнісного дільника для вимірювання швидкозмінної напруги. Перехідна функція такого дільника має вигляд (2.6). Як видно із цього виразу, ємнісний дільник відтворює процес із постійною похибкою, що не залежить від частоти. Однак реальні ємнісні дільники, зібрані з конденсаторів, завжди мають опір витоку, що не дозволяє використати такі дільники для вимірювання повільно мінливих або постійних напруг, тому що  в цьому випадку розподіл напруги буде не по ємностях, а по опорах витоку. Крім того, наявність власної індуктивності конденсаторів (L^/ ¹ 0) викличе виникнення коливань у дільнику, що обмежує застосування таких дільників.