Делители напряжения для измерения высоких напряжений

[gt-e]

Делители напряжения

Использование делителей напряжения для измерения достаточно высоких напряжений имеет свои особенности.

При измерении высоких напряжений в малогабаритных источниках малой мощности приходится ограничивать ток делителя десятками микроампер, что бы уменьшить нагрузку на источник питания и выделение тепла в измерительном делителе. Для источников питания с выходным напряжением около сотни киловольт значение сопротивления измерительного делителя напряжения достигает величин в несколько ГОм. При таких значениях сопротивления делителя заметную роль играет величина индуктивности резисторов делителя и наличие паразитной емкости с резисторов делителя на землю. В результате, простые резистивные делители имеют плохую переходную характеристику и пригодны для изменения устоявшихся значений выходного напряжения. При использовании резистивных делителей для измерения выходного напряжения в стабилизированных высоковольтных источниках питания с этими факторами приходится бороться.

Уменьшение влияния индуктивности достигается использованием специально спроектированных высоковольтных резисторов с уменьшенной индуктивностью.

Уменьшение влияния паразитной емкости делителя на землю достигается использованием комбинированного емкостно-резистивного делителя напряжения. Такой делитель позволяет получить приемлемую переходную характеристику высоковольтного источника питания до напряжений заметно более 100 кВ.
Примером могут служить стабилизированные источники питания http://www.gt-e.ru/pageRm_7.html.

При выборе резисторов для измерительного делителя высокого напряжения, кроме значения рабочего напряжения, необходимо учитывать еще несколько важных параметров:
- индуктивность высоковольтного резистора;
- TKR, температурный коэффициент сопротивления;
- VCR (Voltage Coefficient of Resistance), коэффициент зависимости сопротивления от напряжения.
VCR характерен для высоковольтных резисторов. VCR может принимать значение от единиц до тысяч ppm. На него следует обратить особое внимание и не использовать для точных измерений резисторы, для которых этот коэффициент не известен.

[gt-e]

Существенным параметром для высоковольтных резисторов является их собственная индуктивность. Для ее снижения производители принимают различные меры. Один из способов снижения индуктивности с использованием специальной формы резистивного слоя представлен на рисунке.

hv_resistors.jpg (6.71 Кб) Просмотров: 17499

[Djhjy]

Любой резистор (в т.ч. высоковольтный) имеет схему замещения, в которой он изображается в виде последовательного соединения активного и индуктивного ( индуктивность) сопротивлений и, подключенного параллельно этой цепочке, емкостного сопротивления. При эксплуатации высоковольтных высокоомных резисторов следует учитывать, что их эквивалентные сопротивления, изменение значений которых на частотах уже в десятки-сотни килогерц определяются шунтирующей резистор емкостью.
Применение таких резисторов в делителях напряжений, приводит к возникновению между элементами делителя, элементами измерительной цепи сложных взаимосвязей, влияющих на преобразование входного сигнала. Поэтому с уменьшением габаритов измерительной цепи расширяется диапазон измеряемых сигналов.
При наличии потребности в высоковольтных высокоомных резисторах можно уточнить условия их изготовления и поставки.

[Djhjy]

Обычный резистор имеет схему замещения, на которой он изображается в виде цепочки соединенных последовательно активного и индуктивного (индуктивность) сопротивлений и емкостного (емкости) сопротивления, шунтирующего эту цепочку. Для высокоомных (более 10 МОм) высоковольтных резисторов влияние емкости на величину сопротивления такой цепочки становиться заметной на частотах единиц десятков килогерц. Требования к минимальному значению индуктивности резистора скорее можно отнести к низкоомным резисторам, где влияние индуктивной составляющей на сопротивление преобладает над емкостной. Ранее в описаниях измерителей полных сопротивлений (например BM 507) приводились таблицы определяющие границу между высокоомными и низкоомными резисторами. Индуктивность высокоомного резистора соизмерима с индуктивностью проводника, имеющего такие же размеры. Параметры высоковольтных высокоомных резисторов типа Р1-201 приведены в рекламном листке.
Частотные свойства делителей определяются габаритными размерами самих делителей. Одна из верхних предельных частот соответствует длине волны равной четырем размерам высоты делителя. Наличие у делителя сложной схемы замещения, приводит к смещению этой границы в область низких частот.

[gt-e]

Да, действительно, схема замещения представляется в виде последовательного соединения активного, индуктивного сопротивлений и подключенного параллельно этой цепочке емкости, только Вы забыли добавить емкость резистора на другие элементы конструкции, в том числе на землю.
Речь идет о измерении высоких постоянных напряжений в малогабаритных высоковольтных источниках небольшой мощности, в первую, очередь. В них суммарное сопротивление делителей достигает значений в несколько ГОм. При таких значениях сопротивления паразитная емкость на землю очень сильно ограничивает полосу. На рисунке выше приведен высоковольтный резистор. При диаметре 8 мм типичная длина 35-50 мм на 10 кВ, на 50кВ длина уже за 150 мм. Необходимо учитывать и изолирующую среду, имеющую проницаемость от 3 до 6.
При таких размерах и гигомных значениях резисторов игнорировать конструктивную емкость на землю и другие элементы схемы не получится.

По поводу индуктивности. Действительно, индуктивность спирального резистора соизмерима с индуктивности проводника, "навитого на резистор", ее вклад в большое сопротивление резистора делителя, вроде бы, невелик. До того момента, пока не произойдет "срез" напряжения. В этот момент за счет индуктивности произойдет перераспределение напряжения на резисторе и может произойти междувитковый пробой, что снижает реально допустимое рабочее напряжение.

Спасибо за информацию по резистору Р1-201. Хотелось бы что бы в технических характеристиках отражался VCR (Voltage Coefficient of Resistance), коэффициент зависимости сопротивления от напряжения.
Размеры резистора вполне соответствуют 10 ppm, но для 100 ppm и более размеры уже избыточны и это ограничивает сферу применения.

[Djhjy]

НТД на резисторы устанавливается требование к изменению сопротивления от изменения напряжения. В зависимости от назначения резистора числовые значения этих изменений могут быть и не указаны. Коэффициент напряжения, характеризующий изменение сопротивления от изменения напряжения (VCR), резисторов типа Р1-201 имеет тот же порядок, что и у зарубежных аналогов, но не более 1 ·10-6 1/В.

[Djhjy]

По поводу влияния индуктивности резистора на электрическую прочность резистора. Мое представление о процессах, происходящих в резисторах данного типа, больше связано с токами, протекающими через резистор (разряд конденсатора на сопротивление). Распределение тока вдоль резистора, обусловленное паразитными емкостями, настолько неравномерно, что в некоторых сечениях резистивной дорожки плотность тока превышает допустимую. Происходит точечный разогрев поверхности резистора. Повышение температуры изоляции способствует снижению электрической прочности изоляции и инициирует пробой изоляции в точке нагрева.

[gt-e]

НТД на резисторы устанавливается требование к изменению сопротивления от изменения напряжения. В зависимости от назначения резистора числовые значения этих изменений могут быть и не указаны. Коэффициент напряжения, характеризующий изменение сопротивления от изменения напряжения (VCR), резисторов типа Р1-201 имеет тот же порядок, что и у зарубежных аналогов, но не более 1 ·10-6 1/В.

Я не знаю какой зарубежный аналог Вы позиционируете для Р1-201. Тем не менее, 1 ppm/В достаточно неплохое значение. Но опять же, если брать резисторы с точностью доли процента и ТКС 10-30 ppm, то 10 кВ даст 1% ухода сопротивления. Поэтому я и обращаю внимание на его значение, встречал и 100 ppm/В .

[gt-e]

По поводу влияния индуктивности резистора на электрическую прочность резистора. Мое представление о процессах, происходящих в резисторах данного типа, больше связано с токами, протекающими через резистор (разряд конденсатора на сопротивление). Распределение тока вдоль резистора, обусловленное паразитными емкостями, настолько неравномерно, что в некоторых сечениях резистивной дорожки плотность тока превышает допустимую. Происходит точечный разогрев поверхности резистора. Повышение температуры изоляции способствует снижению электрической прочности изоляции и инициирует пробой изоляции в точке нагрева.

При этом распределение отказов по длине резисторов имеет какую либо закономерность или такие проблемные места распределяются равномерно по длине? Я, конечно имею ввиду статистические данные, а не на конкретном экземпляре. Пробои, связанные с индуктивностью резистора локализуются всегда около "горячего" конца резистора.

[Djhjy]

Мне трудно судить о каком конце вы говорите. Судя по изображению, то их два. Обычно, в ТУ на резисторы имеется раздел условия эксплуатации. Если вы применяете резистор в условиях отличных от условий установленных в ТД, то естественно у Вас будут возникать проблемы.
Что касается изменений значения сопротивления резистора. Оно проявляется как результат действия различных факторов, влияние которых на сопротивление устанавливается ТУ отдельно для каждого фактора.

[gt-e]

Мне трудно судить о каком конце вы говорите. Судя по изображению, то их два. Обычно, в ТУ на резисторы имеется раздел условия эксплуатации. Если вы применяете резистор в условиях отличных от условий установленных в ТД, то естественно у Вас будут возникать проблемы.
Что касается изменений значения сопротивления резистора. Оно проявляется как результат действия различных факторов, влияние которых на сопротивление устанавливается ТУ отдельно для каждого фактора.

О том выводе, на котором происходит резкий перепад напряжения, обычно, это высоковольтный вывод. В нашей продукции отказов резисторов нет, нет и ТУ на резисторы, есть Data sheet:-). В России еще не производят резисторов с приемлемыми для нас параметрами. В любом случае, производитель оговаривает определенные данные, которые не могут охватить всех условий конкретного применения.
О отказах писали Вы, я так понимаю, при испытаниях Ваших резисторов в предельных режимах.
Вообще, все определяется конкретными размерами и их отклонениями, сопротивлением резистора и характерными временами и напряжением. В общем виде рассуждать трудно.
Кроме того, это не противоречит теме топика.
Если взять сопротивление делителя 1 ГОм, то RC при емкости 10 пФ будет 10 мс. А получить распределенную емкость больше 20 пФ, например, для 50 кВ, легко. Расчет слишком грубый, но для напряжений около 100 кВ и простых делителях реально и получаются десятки мс.

[gt-e]

Некоторые производители высоковольтных резисторов выпускают готовые делители высокого напряжения. Такие делители выпускаются на достаточно высокие напряжения.
Например, делители X200/D Nicrom на напряжение до 125 кВ, пиковое до 200 кВ.

Он, ко всему, имеет достаточно хорошие характеристики.

Вот еще пример делителя 600.xx Nicrom

Но для слаботочных высоковольтных источников с хорошими характеристиками такие делители мало применимы из-за высокой постоянной времени или большой нагрузки на источник.