Емкостной делитель напряжения

Емкостной делитель напряжения (ЕДН), согласно ГОСТ IЕС 60050-436-2014 «Международный электротехнический словарь. Часть 436» — это конденсаторный блок, образующий делитель переменного напряжения.

Делитель напряжения, согласно ГОСТ IЕС 60050-300-2015 «Международный электротехнический словарь. Часть 312» — это устройство, содержащее сопротивления, индуктивности, конденсаторы, трансформаторы или сочетание этих компонентов, так что между двумя точками устройства можно получить определенную часть приложенной величины.

Таким образом, если все эти термины перефразировать более просто и понятно, то емкостной делитель — это устройство, состоящее из последовательно соединённых неполярных конденсаторов, предназначенное для масштабирования высокого уровня переменного напряжения (U_HV) с заданным коэффициентом деления. Чаще всего применяется в метрологии и высоковольтной электроэнергетике.

Где и для чего применяется

Измерительные трансформаторы (для работы от 20 кВ и выше) достаточно дорогие и сложные устройства, поэтому применение емкостных преобразователей очень широко распространено в электроэнергетике. Самым наглядным примером применения ЕДН является контроль высоковольтной линии 110 кВ при электроподстанции:

Такие установки масштабируют 110 кВ до 10…12 кВ, которое после понижается через трансформатор (для обеспечения гальванической развязки) до удобных для измерений 0…220 вольт (например, панельные цифровые вольтметры).

Также ЕДН применяют в исследовательских лабораториях и испытательных центрах при проведении тестов на электропрочность внешней изоляции электрооборудования посредством воздействия высокого напряжения промышленной частоты (ГОСТ 1516.3-96). Ниже представлен лабораторный делитель ДН-100Е (высота около 150 см):

К примеру, для испытания твёрдых диэлектриков используется аппарат испытательный диодный (АИД) модели АИД-70/50Д. Такие устройства поставляются со своим блоком управления со встроенным вольтметром. Но довольно часто требуется иметь независимый отдельный измерительный канал для регистрации осциллограмм посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП), подключённого к компьютеру.

Некоторые модели АЦП безопасно могут измерять сигнал с уровнем не более 10 В. Поэтому, чтобы масштабировать измеряемое значение U_HV до приемлемого уровня, можно применить емкостной преобразователь. Рекомендуется устанавливать между выходом ЕДН и входом АЦП буферный усилитель для согласования выходного и входного сопротивлений соответственно.

1 — ЕДН как часть высоковольтной испытательной установки

Устройство и принцип работы

В общем случае ЕДН состоит из двух частей:

— верхнего плеча ВП (обозначено как C1);

— нижнего плеча НП (обозначено как C2).

U_HV прикладывается к верхнему плечу относительно общего провода питания «земля» (высоковольтные установки требуется заземлять, подключая к N или PE). С нижнего плеча снимается потенциал, который называется выходным напряжением U_вых.

Принцип действия (работы) емкостного делителя основан на распределении потенциалов между конденсаторами, подключенных последовательно. Соответственно, через них, грубо говоря, протекает одинаковой величины переменный ток (такая формулировка сделана для простоты понимания, но правильнее сказать, что в цепи переменного тока происходит периодически меняющаяся перезарядка компонента в разных полярностях).

Конденсатор обладает реактивным сопротивлением (X_C), которое определяет падение напряжения на каждой части преобразователя:

где X_C (Ом) — реактивное сопротивление;

f (Гц) — частота сигнала (для сети — 50 Гц);

C (Ф) — ёмкость.

Чем больше ёмкость компонента, тем меньше его сопротивление, и, соответственно, меньше напряжение на нём падает.

Реактивное сопротивление — это величина, которая определяет способность конденсатора препятствовать протеканию переменного тока. Оно не связано с потерей энергии в виде тепла (активное сопротивление), а возникает из-за фазового сдвига между током и напряжением (ток опережает по фазе на 90 градусов, что означает — ёмкость сперва заряжается броском тока). В течение одной четверти периода компонент заряжается, и энергия запасается в его электрическом поле, а в течение другой четверти периода ёмкость разряжается и отдаёт запасённую энергию обратно. Таким образом, средняя мощность за период равна нолю.

Важно отметить, что применять керамические конденсаторы не рекомендуется, поскольку фактическая емкость у них несколько отличается на разных уровнях приложенного U_РМ. Соответственно, коэффициент деления не является стабильным (постоянным). По этой причине рекомендуется использоваться металлобумажные, плёночные или металлоплёночные компоненты (например, К74-14М).

Расчёт параметров

Быстрый расчёт базовых параметров можно выполнить на специализированном калькуляторе.

При работе с ЕДН используются следующие основные формулы:

1) выходное напряжение U_вых

2) нижнее плечо C2

3) верхнее плечо C1

4) коэффициент деления K_дел

Иногда используется обратная величина коэффициенту деления — коэффициент передачи K_п:

Обратим внимание:

K_дел — всегда больше единицы

K_п — всегда меньше единицы

Чтобы понять разницу между этими параметрами, необходимо уточнить их физический смысл:

коэффициент деления K_дел — это отношение величины прикладываемого воздействия U_вх к выходной величине U_вых, снимаемой с НП. Таким образом, K_дел характеризует пропорциональное распределение (разделение) U_HV между плечами установки;
коэффициент передачи K_п — это параметр, который характеризует часть энергии, прикладываемой к входу установки (U_вх), и эта часть будет получена на выходе (НП) — U_вых. Поэтому значение K_п всегда в диапазоне от 0 до 1. К примеру, ЕДН с одинаковыми номиналами в верхнем и нижнем плечах делит входную величину пополам, то есть на выходе 50 % от U_вх, что соответствует K_п = 0,5.

5) общее реактивное сопротивление X_{C_общ}

6) общий ток через делитель I_дел

7) энергия заряда W_C

где C — суммарная емкость, включающая последовательно соединённые компоненты внутри всего преобразователя.

Читайте также: Полупроводниковый диод

Пример расчёта

В качестве примера выполним расчёт параметров устройства, схема которого представлена ниже:

Предполагаемый диапазон измерений составляет от 0 до 50 киловольт (U_вх = 0…50 кВ). При максимальном значении U_вх с выхода должно быть получено не более U_вых = 10 В.

Отметим, что весьма затруднительно с приемлемой точностью производить масштабирование в диапазоне 0…20 % от максимума. Это связано с нелинейностью работы конденсаторов на таких уровнях U_вх.

Исходя из вводных данных, определим коэффициент деления:

Для НП, зачастую, выбирают элементы с номиналом несколько микрофарад. К примеру, сборка из двух конденсаторов, включённых параллельно: 1,5 и 1 мкФ. Так часто делают, поскольку облегчает подбор деталей с нужными номиналами, чтобы добиться требуемого K_дел. К примеру, К73-17 с рабочим напряжением (U_{рабочее}) 250 В. Для защиты от перенапряжений параллельно компонентам ставится газовый разрядник.

При параллельном включении ёмкости складываются:

Суммарно получается C2 = 2,5 мкФ.

Зная величину C2, можем рассчитать значение C1:

Итого: C1 = 500 пФ.

Теперь можно уточнить коэффициент деления, зная значения C1 и C2:

Как видно, значение K_дел, рассчитанное при помощи значений емкостей, несколько отличается от того значения, что вычислено из отношения U_вх/U_вых. Но для нашего случая полученные величины вообще чисто теоретические, поэтому существенной разницы нет.

При выполнении калибровки рассматриваемого измерительно устройства именно определение соотношения U_вх/U_вых является единственно верным способом вычислить K_дел, используя точные эталонные поверенные измерительные каналы. С теоретической точки зрения вычисление K_дел посредством предварительного измерения величины емкости каждого компонента в устройстве (например, при помощи мостового измерителя RLC‑метра) является более точным способом.

Однако, передаточная характеристика ЕДН не является линейной на всём диапазоне, особенно от 0 до 10…20 % от максимального U_вх. По этой причине наилучшим решением будет именно производить калибровку устройства (определение зависимости U_вых от U_вх), а уже по этим данным строить передаточную характеристику и высчитывать K_дел.

Проектируя ЕДН, необходимо уделить особое внимание верхнему плечу, поскольку именно на нём будет падать основная часть U_вх. По условию задачи к установке максимально может прикладываться 50 кВ, при этом с выхода снимается потенциал 10 В. Соответственно, на ВП падает практически всё: 49990 В. Исходя из этого, можно предположить, что необходимо выбирать компонент, у которого максимально допустимое U_{рабочее} больше, чем 50 кВ. Но, зачастую, это не совсем удобно и практично.

На практике ВП делают составным из несколько последовательно соединённых конденсаторов, между которыми пропорционально распределяется U_HV. Соответственно, желательно подбирать номиналы одинаковыми. Также необходимо учитывать, габариты компонента частично зависят от его U_{рабочее}.

Читайте также: Резистор

Для наглядности преобразуем схему устройства из нашего примера, учитывая вышеуказанные рекомендации:

3 — ЕДН с составными верхним и нижним плечами

ВП, которое изначально представляло собой компонент с номиналом 500 пФ, теперь представляет собой последовательную цепочку из C1.1, C1.2 и C1.3 по 1500 пФ каждый (в соответствии с номинальным рядом E24). При последовательном включении суммарно получится 500 пФ.

Также обратим внимание, что НП представлено как два включённых параллельно конденсатора (1,5 и 1 мкФ), о чём упоминалось ранее (облегчает подбор деталей с нужными номиналами, чтобы добиться требуемого K_дел).

Почему для ВП выбрано три компонента по 1500 пФ? Помним, что ко входу прикладывается U_вх = 50 кВ. А после расчётов было определено, что на верхней части будет падать 49990 В. Необходимо, чтобы у каждого звена был потенциал меньше, чем его максимально допустимое U_{рабочее}. Можно применить компоненты типа К73-14М с параметрами 1500 пФ / 25 кВ. На трёх одинаковых элементах потенциал 49990 вольт будет равномерно распределяться, то есть каждому компоненту отводится примерно по 16663 В, что значительно меньше максимально допустимого уровня (25 кВ).

Для проверки правильности рассуждений произведём расчёт. На рисунке 6 видно, что на каждом звене ВП (C1, C2 и C3) формируются потенциалы U1.1, U1.2 и U1.3, которые суммарно соответствуют U1 = 49990 В.

Чтобы определить величину потенциала на каждом элементе цепи ВП, можно воспользоваться законом Ома. Для этого необходимо вычислить реактивное сопротивление X_C каждого компонента, в том числе НП, а также рассчитать общий ток, протекаемый через установку.

Определим реактивное сопротивление для верхнего плеча X_ВП. Мы знаем, что его общая ёмкость составляет С_ВП = 500 пФ:

Применяемые элементы (3 штуки) имеют одинаковый номинал (C1 = C2 = C3 = 1500 пФ):

Таким образом, реактивное сопротивление одного компонента ВП составляет:

6369426 / 3 = 2123142 Ом = 2,12 МОм.

Далее вычислим реактивное сопротивление для нижнего плеча X_НП (элементы включены параллельно):

Теперь вычислим общий ток, протекаемый через установку:

Зная общий ток I_дел, мы можем вычислить потенциал, который формируется на каждом звене цепочки ВП. Помним, что емкости одинаковые у всех трёх деталей, поэтому вычислим для одного:

Альтернативный вариант вычисления — разделить на три части U1, которое падает на ВП при максимальном U_вх:

Как видим, значения слегка различаются. Фактически же разница может быть более существенной, поскольку реальная ёмкость каждого звена будет несколько отличаться (±10 %) от заявленного номинала.

Произведя расчёт, мы убедились, что на каждом звене ВП будет формироваться потенциал (16,6 кВ), который не больше максимального U_{рабочее} = 25 кВ.