ЕМКОСТНОЙ ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
CAPACITOR VOLTAGE DIVIDER

Изобретение относится к технике измерений высоких импульсных напряжений и может быть использовано для регистрации высоковольтных импульсов наносекундной длительности.
Известен емкостный делитель напряжения (Патент №1151095 РФ, МПК G01R 15/04. Емкостный делитель импульсов высокого напряжения наносекундной и субнаносекундной длительности. Желтов К.А., Петренко А.Н. 3530361/21. Заявлено 29.12.82. Опубликовано 20.04.1996), установленный на внешнем кондукторе высоковольтной передающей линии и содержащий высоковольтное и низковольтное плечи. Емкость конденсатора низковольтного плеча образована внутренним кондуктором (измерительным электродом делителя) низкоомной конической коаксиальной линии и заземленным внешним кондуктором передающей высоковольтной линии. Емкость конденсатора высоковольтного плеча образована плоскостью торца внутреннего кондуктора конической линии и внутренним кондуктором высоковольтной передающей линии (высоковольтным электродом).
Недостатками данного делителя являются невозможность использования его в высоковольтных устройствах с газовой изоляцией, находящейся под высоким давлением, в вакуумных камерах, а также малая длительность регистрируемых импульсов (всего несколько наносекунд).
Наиболее близким к заявляемому является емкостный делитель напряжения (Зайцев В.И., Олейник Г.М., Ямпольский И.Р. Наносекундный датчик напряжения // ПТЭ. 1984. №2. С. 109-111), содержащий герметичный корпус. Низковольтное плечо делителя содержит низкоиндуктивный фольговый конденсатор, выполненный в виде трехслойной ленты (две полосы алюминиевой фольги, разделенные фторопластовой пленкой), уложенной гармошкой за один оборот вокруг измерительного электрода. Один вывод конденсатора соединен с измерительным электродом делителя, другой вывод соединен с его корпусом. Высоковольтное плечо образовано емкостью между высоковольтным электродом и измерительным электродом делителя.
Недостатками этого делителя также является невозможность использования его в линиях с газовой изоляцией, находящейся под высоким давлением, вакуумных камерах, низкая технологичность изготовления и недостаточное временное разрешение (около 2 нс) для работ с генераторами высоковольтных импульсов длительностью менее 2 нс.
При создании данного изобретения решалась задача создания емкостного делителя высоких напряжений для регистрации наносекундных импульсов напряжения в высоковольтных устройствах с любым видом изолирующей среды.
Техническим результатом является расширение эксплуатационных возможностей делителя за счет обеспечения его работы в жидком диэлектрике, в газе, находящемся под высоким давлением, и возможности изменения емкости фольгового конденсатора, а также за счет повышения технологичности его сборки и ремонта и улучшения временного разрешения.
Дополнительным техническим результатом является повышение термостойкости делителя, что дает возможность работы делителя в условиях повышенных температур и вакуума.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным емкостным делителем напряжения, содержащим металлический корпус, высоковольтное и низковольтное плечи, высоковольтное плечо образовано емкостью между высоковольтным электродом и измерительным электродом делителя, низковольтное плечо выполнено в виде многослойного фольгового конденсатора, один вывод конденсатора соединен с измерительным электродом делителя, другой вывод соединен с его корпусом, корпус делителя выполнен герметичным, новым является то, что корпус делителя выполнен разъемным и состоит из патрубка и крышки, при этом в корпусе дополнительно установлен узел передачи сигнала в измерительный тракт, причем узел представляет собой однородную передающую линию, состоящую из высокочастотного разъема и пар наружных и внутренних коаксиальных проводников, соединенных с использованием цанговых контактов, а в одной из пар между разъемом и измерительным электродом герметично установлен керамический диск, высокочастотный разъем установлен в крышке, многослойный фольговый конденсатор выполнен в виде чередующихся потенциальных и заземленных кольцевых шайб из фольги, между которыми проложены диэлектрические кольцевые шайбы, измерительный электрод закреплен на торце патрубка, имеет Т-образное сечение и содержит дисковый участок, обращенный к высоковольтному электроду, а также стержневой выступ, подключенный к узлу передачи сигнала в измерительный тракт, внутренняя поверхность патрубка содержит приторцевой цилиндрический участок, потенциальные шайбы надеты с натягом на стержневой выступ, а заземленные шайбы вставлены с натягом в цилиндрический участок патрубка.
Кроме того, заземленные шайбы содержат, по меньшей мере, три радиальных выступа, радиальные выступы образованы лысками на боковой поверхности шайб.
Диэлектрические кольцевые шайбы могут быть выполнены из лавсановой пленки толщиной 0.02-0.05 мм.
Диэлектрические кольцевые шайбы могут быть выполнены из слюды толщиной 0.02-0.05 мм.
Потенциальные шайбы надеты с натягом на стержневой выступ по посадке H8/z8, и заземленные шайбы вставлены с натягом в цилиндрический участок патрубка по посадке H8/z8.
Потенциальные и заземленные шайбы выполнены из нержавеющего металла или имеют нержавеющее покрытие.
Керамический диск выполнен из корундовой керамики.
Выполнение корпуса делителя разъемным, из патрубка и крышки, позволяет расположить фольговый конденсатор низковольтного плеча в патрубке вплотную к измерительному электроду, а высокочастотный разъем и узел передачи сигнала в крышке, что дает возможность оперативно и многократно производить разборку и ремонт делителя в случае пробоя или механического повреждения изоляции и обкладок конденсатора низковольтного плеча, а также при необходимости изменять емкость конденсатора. Расположение конденсатора низковольтного плеча вплотную к измерительному электроду необходимо для обеспечения максимального временного разрешения делителя при регистрации импульсов наносекундной длительности.
Установка в корпусе дополнительного узла, представляющего собой однородную передающую линию, состоящую из высокочастотного разъема и пар наружных и внутренних коаксиальных проводников, соединенных с использованием цанговых контактов, позволяет улучшить временное разрешение за счет передачи высокочастотного регистрируемого сигнала с вывода фольгового конденсатора низковольтного плеча в измерительный тракт без искажений, а также осуществлять быстрое и качественное подключение к делителю кабелей, передающих регистрируемый сигнал на осциллограф или другое средство регистрации. При этом протяженность передающей линии может многократно превышать поперечные размеры делителя, что дает возможность размещать измерительный электрод и фольговый конденсатор низковольтного плеча в самых труднодоступных местах. Применение цанговых соединений значительно облегчает процесс разборки и сборки делителя.
Герметичная установка изолирующего керамического диска в одной из пар между разъемом и измерительным электродом обеспечивает возможность работы делителя при наличии высокого давления (до 5 МПа и выше) газового или жидкого диэлектрика со стороны измерительного электрода. Такая возможность обусловлена высокой механической прочностью, например, корундовой керамики типа ВК94-1. При этом керамический диск с припаянными к нему коаксиальными проводниками является участком передающей линии, что позволяет осуществлять передачу проходящего через него наносекундного импульса без искажений.
Наличие стержневого выступа у измерительного электрода Т-образного сечения и приторцевого цилиндрического участка патрубка дает возможность обеспечить электрическое соединение потенциальных и заземленных кольцевых шайб из фольги с измерительным электродом и корпусом делителя соответственно за счет того, что потенциальные шайбы надеты с натягом на стержневой выступ, а заземленные шайбы вставлены с натягом в цилиндрический участок патрубка. Величина натяга определяется посадкой Н8/z8, которая одновременно обеспечивает качественный контакт сопрягаемых деталей и отсутствие их заклинивания при разборке делителя. Дисковый участок измерительного электрода образует емкость между измерительным и высоковольтным электродами, достаточную для регистрации высоковольтного импульса с малым уровнем помех.
В отличие от делителя по прототипу, фольговый конденсатор содержит в качестве изоляции между обкладками диэлектрические плоские кольцевые шайбы. При сборке конденсатора шайбы подвергаются только сжатию и не испытывают усилий изгиба или другого вида деформации. Поэтому в заявляемом делителе могут применяться диэлектрические шайбы как из пластических пленок (фторопласт, лавсан, полипропилен и т.д.), так и из сравнительно хрупких материалов, например из слюды. Слюда выдерживает без разрушения высокие температуры, что позволяет применять заявляемый делитель в условиях повышенных температур и производить его отжиг для работы в условиях вакуума в ускорительных трубках или других вакуумных устройствах.
Таким образом, в данном изобретении реализуется указанный технический результат.
На фиг. 1 показана конструкция заявляемого емкостного делителя напряжения.
На фиг. 2 показана конструкция фольгового конденсатора в заявляемом емкостном делителе напряжения.
На фиг. 3 показана осциллограмма напряжения, зарегистрированная при помощи заявляемого делителя. Развертка по горизонтали - 2 нс/деление.
На чертежах обозначены следующие элементы:
1 - заземленный корпус высоковольтного устройства;
2 - высоковольтный электрод;
3 - измерительный электрод:
4 - патрубок;
5, 6 - изоляторы;
7 - дисковый торцевой участок измерительного электрода;
8 - стержневой выступ измерительного электрода;
9 - цанговый контакт;
10 - высокочастотный разъем BNC-7026;
11 - пары наружных и внутренних коаксиальных проводников;
12 - керамический диск;
13 - крышка;
14, 15, 16 - цанговые контакты:
17 - многослойный фольговый конденсатор;
18 - потенциальные кольцевые шайбы из фольги;
19 - заземленных кольцевые шайбы из фольги;
20 - диэлектрические кольцевые шайбы;
21 - приторцевой цилиндрический участок патрубка;
22 - изолирующая среда.
Заявляемый емкостный делитель напряжения установлен на заземленном корпусе 1 высоковольтного устройства и служит для регистрации импульсов высокого напряжения на высоковольтном электроде 2. Делитель содержит измерительный электрод 3, установленный в патрубке 4 между изоляторами 5 и 6. Дисковый торцевой участок 7 измерительного электрода 3 обращен к высоковольтному электроду 2 и образует с ним емкость высоковольтного плеча. С обратной стороны измерительный электрод 3 имеет стержневой выступ 8, подключенный посредством цангового контакта 9 к узлу передачи сигнала, состоящему из высокочастотного разъема 10 и трех пар 11 наружных и внутренних коаксиальных проводников. Средняя пара выполнена с керамическим диском 12, герметично впаянным в радиальный зазор между проводниками. Волновое сопротивление всех трех пар и сопротивление разъема равны 50 Ом. Узел передачи сигнала расположен в крышке 13. Для простоты операций отсоединения крышки от патрубка и замены разъема используются цанговые контакты 14, 15 и 16.
Между измерительным электродом 3 и патрубком 4 корпуса делителя включен многослойный фольговый конденсатор 17, выполненный в виде чередующихся потенциальных кольцевых шайб 18 и заземленных шайб 19 из фольги, между которыми проложены диэлектрические кольцевые шайбы 20. Потенциальные шайбы надеты с натягом на стержневой выступ 6 измерительного электрода, а заземленные шайбы вставлены с натягом в цилиндрический участок 21 патрубка 4.
4
5
Принцип работы заявляемого емкостного делителя заключается в делении напряжения, поданного на электрод 2, между емкостями высоковольтного и низковольтного плеч обратно пропорционально величине этих емкостей. Высоковольтное плечо образовано емкостью между измерительным электродом 3 и высоковольтным электродом 2 (около 0.05 пФ), низковольтное плечо - емкостью конденсатора 17, которая может варьироваться в широких пределах (от 0 до десятков нанофарад) путем изменения количества фольговых и изоляционных кольцевых шайб. Соответственно, коэффициент деления может быть равным примерно 10-10. Сигнал, полученный после деления высоковольтного импульса, поступает на высокочастотный разъем BNC-7026, к которому подключается измерительный кабель с сопротивлением 50 Ом.
Благодаря низкой индуктивности конденсатора 17, малому времени пробега сигнала по его обкладкам (доли наносекунды), а также тому, что сигнал с конденсатора 17 непосредственно поступает на узел передачи сигнала, представляющий собой однородную линию сопротивлением 50 Ом, обеспечивается лучшее временное разрешение по сравнению с делителем по прототипу.
При помощи заявляемого делителя напряжения была произведена регистрация импульсов напряжения зарядки формирующей линии в мегавольтном ускорителе (в качестве изолирующей среды 22 был использован азот под давлением 4 МПа) и получена осциллограмма напряжения, показанная на фиг. 3. Передний фронт импульса соответствует зарядке линии, срез - ее быстрой разрядке. Длительность среза не превышает 0.7 нс, что в три раза меньше, чем на осциллограмме, полученной при помощи делителя по прототипу.