Анализ погрешности перегрева высоковольтных высокочастотных вакуумных емкостных делителей напряжения

Воронов А.П. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТИ ПЕРЕГРЕВА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ВАКУУМНЫХ ЕМКОСТНЫХ ДЕЛИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

Ужесточение требований к повышению надежности и эффективности функционирования современных радиопередающих устройств и электрофизических установок ставят на первый план проблему совершенствования средств формирования, сбора, обработки измерительной информации для оценки состояния устройств и выработки управляющих воздействий. При этом возникает необходимость в непрерывных (иногда длительных до 1000ч) 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.

Вопросы точности, достоверности, повторяемости результатов измерений высоких напряжений имеют актуальность как в производстве высоковольтных вакуумных приборов (вакуумные конденсаторы, вакуумные выключатели и переключатели), так и при подтверждении соответствия этих приборов заданному техническому уровню.

Существует множество методов измерений высоких напряжений [1]. Из них наибольшее распространение получили методы, использующие шаровые разрядники, статические киловольтметры и масштабные преобразователи (делители напряжений). Влияние на результат измерений условий окружающей среды, низкая точность и принципиальные ограничения исключают использование таких средств измерений выше порога 2 - 14 МГц. Шаровые разрядники прерывают исследуемый процесс. Статические киловольтметры обладают

инерционной электродинамической системой и изменяют входную емкость при перемещении подвижного электрода. Статический киловольтметр типа С196 имеет на частоте 2 МГц максимальное рабочее напряжение 30 кВ; на 8 МГц - 15 кВ; на 14 МГц - 7,5 кВ. Изменение метрологических характеристик емкостных делителей напряжений, содержащих конденсаторы с твердым диэлектриком (керамика, слюда, полистирол и др.) , вызвано зависимостью от частоты и амплитуды сигнала диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь конденсаторов. Емкостной делитель напряжения типа ДНЕ-6 обеспечивает измерение напряжений до 5 кВ при максимальной частоте 30 МГц с погрешностью 10%. Пробник Р6015 фирмы "Tektronix" США имеет на частоте 100 КГц максимальное рабочее напряжение 20 кВ, на частоте 2 МГЦ - 2 кВ [2].

Использование вакуума в качестве диэлектрика в конструкциях емкостных делителей напряжений позволило создать компактные высоковольтные (до 200 кВ) масштабные преобразователи типа ДНЕ1-2, ДНЕ1-3, ДНЕ1-6 для диапазона частот от 0,0001 до 90 МГц [3].

При этом были использованы уникальные свойства вакуумной изоляции: высокая электрическая проч-

ность; восстановление свойств после пробоя; минимальные потери (tgô<10“5) .

Опыт их эксплуатации в качестве средств измерений показал актуальность разработки теоретических основ определения расчетных оценок составляющих погрешности измерений. Расхождения в значениях расчетных оценок режимов испытаний и результатов совместных измерений напряжений и токов вакуумных устройств привело к необходимости исследования зависимости относительного отклонения коэффициента деления вакуумных емкостных делителей напряжений от амплитуды и частоты входного сигнала.

Испытания вакуумных коммутирующих устройств и вакуумных конденсаторов производятся в широком

диапазоне амплитудных значений напряжения и в диапазоне частот от 0,1 до 100 МГц. При больших значениях напряжений имеет место нагрев средств контроля режимов испытаний протекающим через них током. Увеличение температуры первичного измерительного преобразователя в конечном итоге влияет на результат и погрешность измерительной процедуры и, следовательно, может привести к ошибочным заключениям о качестве испытуемых изделий.

Конструктивно вакуумный емкостный делитель напряжений выполнен в виде двух последовательно соединенных конденсаторов. Системы емкостных электродов конденсаторов расположены в вакууме и отделены от окружающей среды цилиндрической газонепроницаемой оболочкой. На одном конце диэлектрического цилиндра расположен противокоронный электрод с высоковольтной клеммой, а на другом - гнездо для подключения измерительного прибора. Соотношение емкостей конденсаторов подобрано таким образом, что входное напряжение уменьшается в заданное число раз.

Режим работы высоковольтной высокочастотной цепи не изменится, если вакуумный емкостный делитель напряжений заменить конденсатором, емкость которого равна входной емкости делителя. Температура перегрева такого конденсатора в установившемся режиме описывается формулой [4,5]

fgAu 2, (1) у aS

где a- коэффициент теплоотдачи конденсатора; S - площадь поверхности конденсатора; tgÔ-тангенс угла потерь. Для вакуумных конденсаторов в рассматриваемом диапазоне частот tgô = 2 nfCr ; активное

сопротивление элементов конструкции пропорциональное ; рабочая частота.

Формулу (1) после несложных преобразований можно представить в виде

АТу = BU2f2Jf ,

где B- постоянная для данного типа делителя определяемая экспериментально и зависящая от условий эксплуатации.

Экспериментальная проверка полученных математических выражений производилась на вакуумном емкостном делителе типа ДНЕ1-2. Температура перегрева (12), 9(45), 18, 31, 45, 72 °С измерялась с

помощью термопары на частоте 30(60) МГц при амплитудных значениях входного напряжения 5, 10, 15,

20, 25, 30 кВ. Значение B рассчитанное для этих точек равно (16 ± 2) 10-6 11 т-*\2^тт- \2,5

град./(кВ)2(МГц)2

Рисунок 1. Зависимость амплитуды напряжения на входе вакуумного емкостного делителя напряжения типа ДНЕ1-2 от частоты. ДТу “ установившаяся температура перегрева делителя.

График зависимости напряжения от частоты изображен на рис.1. Каждой кривой графика соответствует постоянная температура перегрева ДТу = const * Из графика видно, что с ростом частоты рабочее напряжение необходимо снижать, чтобы обеспечить постоянство температуры перегрева. Максимальное рабочее напряжение до частоты 35-40 МГц ограничено электрической прочностью изоляции, а выше - предельно допустимой температурой перегрева 90 °C*

Температура перегрева измерялась в центральной части газонепроницаемой оболочки делителя и рядом с противокоронным кольцом. Разброс измеренных значений составил ±10 %*

Температура перегрева делителя достигает установившегося значения по истечению некоторого времени с момента поступления на вход измерительного сигнала.

ДТ = ДТу

где Т- тепловая постоянная времени, характеризующая инерционность теплового процесса; t - текущее время.

При прекращении действия измерительного сигнала температура делителя начинает снижаться до температуры окружающей среды. Температура перегрева становиться равной нулю.

ДТ = ДТуе-1/т

В делителе типа ДНЕ1-2 тепловые процессы стабилизируются через 10-15 мин с момента изменения электрической нагрузки, что соответствует Т = 3-5 мин.

Относительная погрешность коэффициента деления, вызванная протекающим через делитель током, равна

5 = ВДТу

U,f Г у

где в- коэффициент, характеризующий обратимые изменения коэффициента деления при изменении температуры. Для вакуумного емкостного делителя напряжений значение коэффициента не превышает 0,02%.

Используя формулы (2,5), можно оценить относительное отклонение коэффициента деления для амплитуды напряжения и частоты или наоборот. Так, допустимая температура перегрева 90 С, при этом максимальное отклонение коэффициента деления составит 1,8%, а предельно допустимая амплитуда напряжения на частоте 60 МГц будет равна 14,2 кВ.

Анализ выполненных исследований показывает, что погрешность перегрева делителя носит систематический характер и может автоматически вводиться в результат измерений. Уменьшение активных потерь, температурной нестабильности, входной емкости и увеличение теплоотдачи делителя приводит к снижению погрешности перегрева и тем самым повысит точность измерения амплитудных значений напряжения в широком диапазоне частот.

ЛИТЕРАТУРА

1* Шваб А. Измерения на высоком напряжении/ Пер. с нем. И.П. Кужекина. Изд. 2-е, 1983. - 262с.

2* Accessories selection guide - каталог фирмы "Tektronix" США, 19 68 г *

3* Воронов А.П., Смирнов Э.Н. Вакуумные емкостные делители импульсных и высокочастотных напряже-

ний - Электронная промышленность, 1/95 с 32-38*

4* В.П * Буц, М.Т. Железнов, М.М. Юринов Вакуумные конденсаторы - Л.: Энергия, 1971, 136с*

5* В.Т. Рене Электрические конденсаторы - Л.: Энергия, 1968, 591с.