CC BY
153
УДК 621.316.722.4
А. П. Воронов, Н. К. Юрков
ВАКУУМНЫЕ ЕМКОСТНЫЕ ДЕЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЙ ДЛЯ ИИС И АСУ ТП
Представлен ряд вакуумных емкостных делителей напряжений для систем автоматического регулирования и контроля рабочих режимов высоковольтных (более 1 кВ) высокочастотных (до 90 МГц) цепей. Рассмотрены преимущества их использования в качестве средств измерений. Приведены математические выражения для оценки погрешностей.
Вопросы точности, достоверности, повторяемости результатов измерений параметров высоких напряжений сохраняют свою актуальность как в производстве высоковольтных вакуумных приборов (вакуумные конденсаторы, вакуумные выключатели и переключатели), так и при оценке работоспособности высоковольтных цепей и блоков мощных радиотехнических устройств и электрофизических установок. При этом возникает необходимость в непрерывных (иногда до 1000 ч) измерениях амплитуд и определениях форм электрических сигналов в высоковольтных цепях и формирующих блоках. Частотный спектр исследуемых процессов находится в диапазоне от 0 до 100 МГц.
Существует множество методов измерений высоких напряжений [1]. Из них наибольшее распространение получили методы, использующие шаровые разрядники, статические киловольтметры и масштабные преобразователи (делители напряжений). Зависимость электрических характеристик, используемых в средствах измерений твердых и жидких диэлектриков от частоты, амплитуды напряжения и мощности сигнала, влияние на результат измерений условий окружающей среды и другие ограничения делают проблематичным их применение для измерения высокочастотных напряжений выше 1 кВ на частотах 30-90 МГц.
Исследования физики явлений в газовых средах, работы по обнаружению дефектов в электрических трансформаторах, контроль прерывистых режимов питания модуляторных ламп, СВЧ-приборов и выходных напряжений генераторов импульсных напряжений (ГИН) выделили измерительные устройства с делителями напряжения как средства преимущественного применения для наблюдения формы генерируемых импульсов. Причем точность измерений амплитуд импульсных сигналов характеризуется погрешностью 1-3% [2, 3].
В свою очередь делитель должен:
- являться малой нагрузкой для источника сигнала;
- потреблять минимум энергии измеряемого сигнала;
- обладать стабильностью параметров и характеристик элементов конструкции во времени и к внешним воздействующим факторам;
- иметь защиту от попадания высокого напряжения в измерительную цепь низкого напряжения;
- иметь минимальные габаритные размеры при максимальном рабочем напряжении;
- иметь постоянное значение коэффициента деления в рабочих диапазонах частот и напряжений.
Независимо от конструктивного исполнения делителя его эквивалентные схемы представляют собой комбинации сосредоточенных элементов -индуктивности, емкости, активных сопротивлений. В зависимости от типа основных элементов схемы замещения (т.е. элементов, несущих максимальную электрическую нагрузку) делители бывают резистивные, индуктивные и емкостные. Анализ работы устройств, соответствующих основным элементам, показал, что емкостные делители напряжений потребляют минимум энергии измеряемого сигнала и могут использоваться до частот, на которых при номинальном напряжении происходит пробой внешней изоляции. Причем наилучшими характеристиками обладают емкостные делители, содержащие конденсаторы с газообразным диэлектриком [4].
Неоспоримые преимущества газообразного диэлектрика (тангенс угла потерь на частоте 50 Гц равен 10-9, независимость диэлектрической проницаемости от частоты и температуры, полное отсутствие явления абсорбции) делают его незаменимым в образцовых конденсаторах. В то же время высокая электрическая прочность, восстанавливаемость электрической прочности после пробоя, низкая индуктивность и высокая добротность (от 1000 до 10000) позволяют эффективно использовать конденсаторы с газообразным диэлектриком и в частности с вакуумным, в высоковольтной высокочастотной технике [5]. Тем самым вышеперечисленные преимущества вакуумной изоляции свидетельствуют о необходимости рассмотрения вопроса ее применения в масштабных преобразователях высоких высокочастотных напряжений.
Первый отечественный вакуумный высоковольтный делительный конденсатор типа К61-8 появился в конце 1960-х гг. [6, 7]. Общий вид и эквивалентная схема конденсатора изображены на рисунке 1.
Основой конструкции (рис. 1,а) является газонепроницаемая металлостеклянная оболочка с давлением остаточных газов внутри 10-3...10-5 Па. Оболочка 4 окружает системы электродов 1, 2, 3, образующих два или несколько конденсаторов (рис. 1,б), и фиксирует их расположение в пространстве. Конфигурация и шероховатость поверхности противокоронного электрода 5, а также применение высококачественных вспомогательных электроизоляционных материалов (например, стекла молибденовой группы) для ва-куум-плотной оболочки создают необходимые условия исключения коронного разряда и сведения к минимуму токов утечек (порядка единиц, в худшем случае десятка мкА). Соотношение емкостей Сц, С^ , С23 конденсаторов подобрано таким образом, что выходное напряжение ивых оказывается меньше относительно напряжения на входе и вх схемы замещения в заданное число раз. Причем емкость С^ образует плечо высокого напряжения, а емкость С23 - плечо низкого напряжения.
На рисунке 1,а: 1 - высокопотенциальный электрод; 2 - низкопотенциальный электрод; 3 - экранный электрод; 4 - газонепроницаемая оболочка; 5 - противокоронный электрод; 6 - основание.
На рисунке 1,б: С12 - емкость, образованная между 1 и 2 электродами; С23 - емкость, образованная между 2 и 3 электродами; С^ - емкость, образованная между 1 и 3 электродами; ивх и ивых - входное и выходное напряжения соответственно.
а) б)
Рис. 1 Вакуумный емкостный делитель напряжений: а - общий вид ВЕДН; б - эквивалентная схема ВЕДН
К61-8 имеет надежное экранирование низкопотенциального электрода 2 от внешних электромагнитных полей интенсивностью 100 А/м и 500 В/м [8]. Экранирование осуществляется высокопотенциальным стаканообразным электродом 1 и дополнительным экранным электродом 3, установленным на основании 6. Для получения необходимого коэффициента деления изготовители радиотехнических устройств вынуждены были подключать параллельно выходу делительного конденсатора конденсаторы постоянной емкости с твердым диэлектриком. Выявленные в процессе эксплуатации недостатки (температурная нестабильность, разница диэлектрических постоянных изоляционных материалов, невысокая точность коэффициента деления) были устранены в ВЕДН типа К61-17. В конструкцию данного делителя при участии автора был введен вновь созданный конденсатор переменной емкости [9], исключавший применение конденсаторов постоянной емкости с твердым диэлектриком и обеспечивающий выставление коэффициента деления с заданной точностью.
Начавшееся формирование метрологического обеспечения создания и производства электрофизических установок потребовало увеличения рабочего напряжения делительных конденсаторов до 100 кВ (К61-18) и создания на их основе серии делителей. В отличие от своего предшественника, К61-18 имеет защитный электрод. Этот электрод находится между экранным и низкопотенциальным электродами. Если на входе делителя амплитуда сигнала
превышает допустимое значение, то между высокопотенциальным и защитным электродами возникает электрический пробой. Последнее обстоятельство исключает попадание высокого напряжения на низкопотенциальный электрод и соответственно на вход измерительного прибора. ВЕДН типа ДНЕ 1-4, ДНЕ1-5, укомплектованные К61-18 и конденсаторами переменной емкости [9], имеют номинальные коэффициенты деления К0 = 10000, К0 = 2000 и погрешности отклонения коэффициента деления от номинального значения 8 = ±5%, 8 = ±3% соответственно. Кроме того, в конструкцию ДНЕ1-5 включен соединительный кабель длиной 5 м.
Дальнейшему расширению пределов рабочих напряжений препятствовало неравномерное распределение электрического поля вдоль диэлектрической части герметичной оболочки. Возможность повышения электрической прочности делителей при исключении роста габаритных размеров была показана в одной из расчетно-экспериментальных работ [10]. Выравнивание электрического поля достигалось рассредоточением проходной емкости вдоль оси симметрии высоковольтного плеча и введением системы рассеивающих электродов. Полученные результаты были применены в делителе типа ДНЕ1-6 [11]. ДНЕ1-6 имеет рабочее напряжение 200 кВ. Конструкция делителя отличалась от предыдущих наличием блоков, каждый из которых выдерживал испытательное напряжение 110 кВ (ампл. зн.). Делитель комплектовался коаксиальным кабелем длиной 20 м и имел основную погрешность коэффициента деления 8 = ±1%.
Параллельно с работами по созданию делителей импульсных напряжений с участием автора проводились работы по созданию делителей высокочастотных напряжений [11, 12]. Делители предназначались для работы со стандартными вольтметрами или осциллографами. Снижение входной емкости до 3,0-3,5 пФ, обеспечение температурной нестабильности коэффициента передачи ±0,02% на 1°С, применение вместо стекла алюмооксидной керамики позволило поднять уровень рабочих напряжений до 25 кВ на частоте 30 МГц. Появление таких делителей решало задачу метрологического обеспечения производства вакуумных конденсаторов и вакуумных выключателей и переключателей. Диапазон рабочих частот был расширен сначала до 60 МГц (ДНЕ 1-2), а позже до 90 МГц (ДНЕ 1-3).
На рисунке 2 изображены вакуумные емкостные делители типов ДНЕ1-5 и ДНЕ 1-2.
Математическая модель функции преобразования делителя напряжения представляется в виде [13]
К(»= К0(1 + к2 е->°*, (1)
1 + 7ЮТ1 1 + 2аюХ3 + (7'юХ3)
где К0 - номинальный коэффициент преобразования; т - время задержки сигнала при его распространении от входа к выходу делителя; т^, Т2 - постоянные времени плеч делителя; Т3 - постоянная времени, связанная с минимальной резонансной частотой юр соотношением Т3 = 1/юр ; а - затухание, определяемое добротностью резонансного контура; к - коэффициент нагрузки, зависящий от частоты сигнала и амплитуды напряжения.
Рис. 2 Вакуумные емкостные делители напряжений
Условия независимости коэффициента передачи от частоты ю, получаемые из формулы (1):
1. Равенство постоянных времени плеч делителя Т^ = т 2.
2. Минимальная резонансная частота делителя должна быть больше верхней рабочей частоты ю ^ юр.
Каждое из плеч ВЕДН образовано емкостным 1/ юС- и индуктивными юЬг- сопротивлениями, активным сопротивлением электродов и выводов Ц , активным сопротивлением диэлектрической части оболочки и установочных элементов Щ [14]. Поскольку функция преобразования рассматривается в широком диапазоне частот, выделим области низких (до 1 МГц) и высоких частот (свыше 10 МГц). В указанных областях соблюдаются неравенства:
- для низких частот
ю^-, ц < К1;
юС1
- для высоких частот
, Ц Щ.
®С1
Для ИС-цепей, образующих плечи ВЕДН в области низких частот, выходное активное сопротивление ВЕДН значительно больше входного активного сопротивления измерительного прибора (нагрузки) Щвых ^ Щн. Поэтому
х2 = (Свых + Сн)—вых—— плеча низкого напряжения преобразуется к виду ^вых ^ ^н
х2 = Щн (Свых + Сн), а относительное отклонение в области низких частот представляется выражением
На относительное отклонение 8в коэффициента передачи в области частот, близких к верхней рабочей частоте, оказывают влияние резонансные свойства плеч и потери в металлической арматуре, определяющие добротности колебательных контуров. Например, при каскадном соединении П-образного и Г-образного четырехполюсников, замещающих ВЕДН типа ДНЕ1-2, относительное отклонение коэффициента передачи 8в = 8в1 + 8в2 [14], где
Степень взаимной компенсации значений 8в1 и 8в2 определяется соотношением индуктивности Ь- и активного сопротивления ц элементов че-
ходимые значения Ь- и ц формируются в процессе конструирования делителей для конкретного диапазона частот. Для увеличения значения минимальной резонансной частоты Юр разработчиками ВЕДН использовалось многокаскадное построение ВЕДН и конденсаторы с переменными межэлектрод-ными зазорами (неоднородная линия) [15, 16].
Температура перегрева ВЕДН в установившемся режиме описывается формулой [17]
где В - константа, зависящая от значения входной емкости, тепловых свойств делителя и условий эксплуатации; и - рабочее напряжение; / -частота, на которой производится измерение.
Относительное отклонение коэффициента преобразования от номинального значения, вызванное нагревом протекающим через делитель током,
является одной из составляющих коэффициента нагрузки (к ~ ?>и f ) и равно
где в - температурная нестабильность коэффициента передачи.
Температура перегрева уменьшается с уменьшением входной емкости делителя, тангенса угла потерь конденсаторов, образующих делитель, и улучшением условий теплообмена.
8н =—^100%.
2ю2 т2
Му=ви2 /2 47,
5и, 7 = Рдту
Изложенные закономерности присущи всем типам разработанных ВЕДН импульсных и высокочастотных напряжений, основные параметры которых представлены в таблицах 1-3.
Таблица 1
Вакуумные высоковольтные делительные конденсаторы
Тип изделия, технические условия,год выпуска Рабочее напряжение, кВ Емкость, пФ Входное сопротивление по постоянному току, Ом Габариты, мм Масса, кг
входная проходная диаметр высота
К61-8, (ОЖО.465.026) до 75 до 10 3,5 1010 61 277 0,69
К61-18, (ОЖО.465.030) до 100 до 10 3,0 1010 105 290 1,8
Таблица 2
Вакуумные емкостные делители высокочастотных напряжений
Тип изделия, технические условия, год выпуска Рабочее напря- жение, кВ Коэф- фициент деления Основная погрешность, % Входная емкость, пФ Диапазон рабочих частот, МГц Габариты, мм Масса, кг
диаметр высота
ДНЕ 1-2, (К61-19) ОЖО.273.006 1-25 1000 ± 5 3,5 0,1-30 90 250 1,4
ДНЕ1-3, ОЖО.272.009 1-20 1000 ± 5 3,0 1-60 90 221 1,2
Таблица 3
Вакуумные емкостные делители импульсных напряжений
Тип изделия, технические условия, год выпуска Рабочее напря- жение, кВ Коэффи- циент деления Основная погрешность, % Входная емкость, пФ Диапазон рабочих частот, МГц Габариты, мм Масса, кг
диаметр высота
ДНЕ1-1 (К61-17), ОЖО.465.025 3-75 1000 ± 5 до 10 0,01-8,0 165 368 3,1
ДНЕ 1-4, ОЖО.465.007 5-100 10000 ± 5 до 10 0,01-4,0 180 400 4,5
ДНЕ1-5, ОЖО.272.010 5-100 2000 ± 3 до 10 0,01-5,0 180 420 5,0
ДНЕ 1-6 (КС-6), ОЖО.206.040 20-200 20000 ± 1 до 15 0,04-5,0 380 800 36,0
Таким образом, использование вакуума в качестве основного диэлектрика в емкостных делителях позволяет создавать компактные средства измерений для ИИС и АСУ ТП на базе делителей импульсных напряжений до 300 кВ и высокочастотных (до 90 МГц) напряжений с амплитудой до 25 кВ (в перспективе до 50 кВ), превосходящие по основным эксплуатационным характеристикам средства измерений других классов.
Список литературы
1. Шваб, А. Измерения на высоком напряжении / А. Шваб ; пер. с нем. - М. : Энергоатомиздат, 1983.
2. Fowkes W. R., Rowe R. M. // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 1966. - V. IM-15. - № 4. - P. 284.
3. ГОСТ 17512 - 82. Методы измерения при испытаниях на высоком напряжении.
4. Воронов А. П. // Электронная техника.- 1991. - Вып. 2 (83) - С. 8. - (Радиодетали и радиокомпоненты).
5. Буц, В. П. Вакуумные конденсаторы / В. П. Буц, М. Т. Железнов, М. М. Юри-
нов. - Л. : Энергия, 1971.
6. Воронов А. П., Смирнов Э. Н. // Электронная промышленность. - 1995. -№ 1. - С. 32.
7. Смирнов Э. Н., Железнов М. Т. // Электронная техника. - 1969. - Вып. 5. -С. 100. - (Радиокомпоненты).
8. А. с. 260022 СССР / В. П. Буц, Э. Н. Смирнов, И. П. Тюрин // Бюл. изобрет. -
1970. - № 3.
9. А. с. 458045 СССР / Э. Н. Смирнов, В. М. Сидоров, А. П. Воронов // Бюл. изобрет. -1975. - № 3.
10. Смирнов Э. Н., Воронов А. П. // Электронная техника. - 1992. -Вып. 1(86). - С. 8. - (Радиодетали и радиокомпоненты).
11. Смирнов Э. Н., Воронов А. П. // Метрологическое обеспечение ИИС и АСУ ТП : тезисы докл. III Всесоюз. конф. - Львов : ВНИИМИУС, 1990. - С. 217.
12. Смирнов Э. Н., Воронов А. П., Купцова З. И. // Электронная промышленность. - 1986. - № 2. - С. 31.
13. Воронов А . П . // Надежность и качество : труды Междунар. симпозиума. -Пенза, 2007. - 1 т. - С. 171.
14. Смирнов Э. Н., Воронов А. П. // Электронная техника. - 1981. -Вып. 3(44). - С. 8. - (Радиодетали и радиокомпоненты).
15. А. с. 790030 СССР / Э. Н. Смирнов, В. М. Сидоров // Бюл. изобрет. - 1980. - № 47.
16. А. с. 993403 СССР / Э. Н. Смирнов, В. М. Сидоров // Бюл. изобрет. - 1983. - № 4.
17. Воронов А. П. // Надежность и качество : труды Международного симпозиума. - Пенза, 2006. - 1 т. - С. 397.
