Помогите определить причину выхода из строя мультиметра в цепи высоковольтного делителя Опции

[EUrry]

Суть проблемы такова. Измерялось напряжение 40-45 кВ в цепи резистивной нагрузки с использованием делителя напряжения Ross VD60 и мультиметра Fluke 8846A. Используемый источник питания Spellman 50N300 (50 кВ, 300 Вт, 6 мА). Через некоторое время в цепи нагрузки произошло несколько пробоев (цепь мультиметра это в принципе затрагивать не должно). При пробое в источнике включается защита и выходное напряжение снижается до нуля, а затем снова повышается до заданного значения. Но с мультиметром что-то произошло, измерять он перестал. Следует отметить, что ранее пробои также происходили и всё было в порядке. То ли, как говорится, "до поры, до времени" и нужно предусматривать в системе какую-то дополнительную защиту (какую?), то ли произошла какая-то нештатная, пока не выясненная, ситуация.
Может быть у кого-то есть аналогичный печальный опыт и решение этой и возможных иных проблем? Не откажусь от литературы по организации измерений с использованием чувствительных цифровых приборов в высоковольтных цепях. В принципе также интересует и измерение малых токов (наноамперы) в высоковольтных цепях при организации защиты прибора.
Заранее благодарен за любые версии!

P. S. Также хотелось бы найти Service Manual или схему к мультиметру к Fluke 8846A. Пока ничего не нашел...

[EUrry]

Да, забыл упомянуть. Напряжение постоянное. Делитель - резистивный, газонаполненный (элегаз).

[HardEgor]

А схему? Я бы параллельно мультиметру поставил газовый разрядник, на всякий случай.
У нас когда хотели измерять выходной ток на 10кВ, поставили на высокой стороне в провод простой стрелочный миллиамперметр и он сгорел синим пламенем, решили что там внутри были проводники с острыми углами - повышение напряженности и пробой внутри миллиамперметра.

[gte]

Нарисуйте схему подключения цепей.
Как проходит возвратный общий провод от нагрузки до источника?

При пробоях может быть достаточно сильный электромагнитный импульс, в цепи нагрузки бросок тока с крутым фронтом. У Спеллмана пиковый ток нагрузки от источника при пробое ограничивается встроенным резистором, но есть еще и внешняя емкость кабеля и конструкции.
Так же обратить внимание на запитку и заземление мультиметра.

В принципе также интересует и измерение малых токов (наноамперы) в высоковольтных цепях при организации защиты прибора.

Ищите на английском статьи и книги по измерения тока частичных разрядов.

[EUrry]

А схему? Я бы параллельно мультиметру поставил газовый разрядник, на всякий случай.

Схему чего? Если просто принцип, то понятно из описания. Если же имеете в виду точнее, как просит и gte, то попробую накидать.

При пробоях может быть достаточно сильный электромагнитный импульс...

Обязательно должен быть, вопрос как он мог повлиять в моем случае. Но это, конечно, как на кофейной гуще Вам гадать.

[iosifk]

Суть проблемы такова. Измерялось напряжение 40-45 кВ в цепи резистивной нагрузки с использованием делителя напряжения

В высоковольтной цепи есть делитель. Он выглядит так: "высокое" - "средняя точка" - "земля"... И на верхнем плече делителя есть емкость, хотя бы и паразитная. И она заряжается так: на одном ее конце - "высокое", на другом - "средняя точка"...
А теперь Вы закорачиваете "Высокое" на землю... Значит теперь все напряжение, которое есть на верхнем плече делителя приложится к "средней точке"... И пока оно не разрядится через нижнее плечо делителя, или через вход прибора, оно будет присутствовать...
Вот видимо в этот момент прибор и мрет... Это обычное дело для высоковольтных блоков, когда при коротком в нагрузке выгорает усилитель сравнения, если он плохо сделан...

[EUrry]

iosifk, спасибо, хорошая версия. Надо проанализировать схему. Как думаете, варистор вольт на 100 на входе мультиметра исправил бы ситуацию?
Еще хотел поинтересоваться - насколько правильно использование стеклотекстолита (и вообще слоистых диэлектриков) в высоковольтных конструкциях? У меня изготовлена из него столешница и основание некоего приспособления с самой высоковольтной частью. Уже были проблемы с остаточным зарядом (суть - абсорбция в конденсаторах вследствие миграционной поляризации). Пришлось одну из частей, непосредственно на которых крепились клеммы общего провода заменить другим материалом.

[iosifk]

iosifk, спасибо, хорошая версия. Надо проанализировать схему. Как думаете, варистор вольт на 100 на входе мультиметра исправил бы ситуацию?

С высоковольтными делами работал очень давно... Про варистор говорить ничего не буду, надо смотреть изменение сопротивления, утечки и связанные с этим погрешности... И еще он должен быть быстрым...
А про конструкцию высоковольтной части - там тоже утечки, пробой, влага, температура... Тем более сразу ничего сказать не могу...

[EUrry]

Ясно. Кстати, думал, что упоминал про коэффициент деления делителя, а оказывается только марку указал. В общем Кд 1000:1 и на входе мультиметра в штатном режиме присутствует не более 50 В. Поэтому и упомянул варистор на 100 В. Сам мультиметр позволяет непосредственно проводить измерение напряжения до 1000 В. Погрешность безусловно какая-то появиться должна, но вопрос вообще в принципе - эффективна ли варисторная защита в данном случае.

[НЕХ]

может лучше разрядник или неоночку влепить, чтобы ёмкостью варистора не завалить АЧХ ?

[gte]

Схему чего? Если просто принцип, то понятно из описания. Если же имеете в виду точнее, как просит и gte, то попробую накидать.

Не просто схему соединений, принципиально-монтажную.

Обязательно должен быть, вопрос как он мог повлиять в моем случае. Но это, конечно, как на кофейной гуще Вам гадать.

На столе на пробой разряжался конденсатор, без ограничительного резистора, на 150 пФ при напряжении 100 кВ.
В.в источник делался для себя и был в режиме наладки с подключением внешних БП проводами и подключением блоков через переноску.
При разряде (пробое) БП впадали в ступор (индикаторы показывали черти что), один источник сгорел. Перед этим на одной плате TL072 (внутри схемы в.в. источника) распаялась и выпала с платы. После впаивания новой все работало как прежде.
Больше я в таких условия экспериментов не провожу.

[EUrry]

может лучше разрядник или неоночку влепить, чтобы ёмкостью варистора не завалить АЧХ ?

Постоянный ток. Причем тут АЧХ? У неонки, кстати, тоже емкость есть, да и взорваться при определенных условиях может.

Не просто схему соединений, принципиально-монтажную.

Я понял что Вы имеете в виду. Уже изучил, буду пытаться изобразить.

[Herz]

В высоковольтной цепи есть делитель. Он выглядит так: "высокое" - "средняя точка" - "земля"... И на верхнем плече делителя есть емкость, хотя бы и паразитная. И она заряжается так: на одном ее конце - "высокое", на другом - "средняя точка"...
А теперь Вы закорачиваете "Высокое" на землю... Значит теперь все напряжение, которое есть на верхнем плече делителя приложится к "средней точке"... И пока оно не разрядится через нижнее плечо делителя, или через вход прибора, оно будет присутствовать...
Вот видимо в этот момент прибор и мрет... Это обычное дело для высоковольтных блоков, когда при коротком в нагрузке выгорает усилитель сравнения, если он плохо сделан...

Мне что-то эта логика показалась нелогичной. Если мы говорим, о ёмкости, описанной выше, то это, очевидно, ёмкость параллельно верхнему плечу делителя. Поэтому при закорачивании "высокого" на землю, на средней точке оно никак не может появиться. Только разность между "высоким" и "средним".

[DS]

Мне что-то эта логика показалась нелогичной. Если мы говорим, о ёмкости, описанной выше, то это, очевидно, ёмкость параллельно верхнему плечу делителя. Поэтому при закорачивании "высокого" на землю, на средней точке оно никак не может появиться. Только разность между "высоким" и "средним".

Емкость заряжена до высокого. Если ее верхнюю обкладку заземлить, на нижней возникнет отрицательное напряжение. В первый момент - равное высокому. Потом разрядится через нижний резистор.
Тут лучше не варистор, а малоиндуктивную емкость в нижнее плечо у клемм вольтметра. И чем больше, тем лучше.

[Plain]

КЗ подбрасывает общий провод, значит к его цепи прикладывается как минимум половина напряжения, которое делится практически равномерно по длине контура, т.е. надо смотреть, по каким деталям внутри корпуса он тогда проходил.

[orbita]

Поставьте со средней точки делителя малоомный гасящий резистор (например 30-100 Ом), после него супрессор (рассчитаный на максимально допустимое напряжение в нижнем плече) на нижнюю точку делителя. После снимайте на измерительный прибор. Для частотной компенсации еще необходимо подобрать компенсирующую емкость в нижнем плече, параллельно супрессору. Успехов!

[Herz]

Емкость заряжена до высокого. Если ее верхнюю обкладку заземлить, на нижней возникнет отрицательное напряжение. В первый момент - равное высокому.

Это было бы справедливо (с точностью до знака), если бы до этого момента "нижняя" была равна земле.

[DS]

Это было бы справедливо (с точностью до знака), если бы до этого момента "нижняя" была равна земле.

Ну, я так понял, что делитель не пополам, иначе какой смысл было его городить. А 0.1U или 0.01U - почти земля, с точностью 90 - 99%

[EUrry]

Ну, я так понял, что делитель не пополам, иначе какой смысл было его городить. А 0.1U или 0.01U - почти земля, с точностью 90 - 99%

Делитель, как я указал, 1000:1. Наконец дошли руки до схемы. Кроме того, прикладываю некоторые фоторакурсы системы.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[DS]

1. Земля делителя прикручена к металлу, или к сопле внизу ?
2. - вход вольтметра соединен с экраном коаксиала, или только к локальной земле приделан ?

По землям такие индуктивности висят, что при пробое на этих кусках проводов киловольт будет скакать.

[EUrry]

1. Земля делителя прикручена к металлу, или к сопле внизу ?
2. - вход вольтметра соединен с экраном коаксиала, или только к локальной земле приделан ?

1. Проводом к клеммнику точки стекания возвратного тока.
2. Скорее всего соединен и сам экран является вторым проводником. Но у меня нет полной уверенности, что это коаксиал. Возможно, под экраном два провода (посмотреть невозможно, т. к. разъемы заделаны) - один от точки деления напряжения, другой - от корпуса делителя. У делителя байонетный коаксиальный выход, как у осциллографов.

По землям такие индуктивности висят, что при пробое на этих кусках проводов киловольт будет скакать.

И что делать? Укорачивать и сечение увеличивать?

[DS]

Трындец, скорее всего, произошел из-за пункта 1.

Да, укорачивать и использовать ленты. Чем шире, тем лучше. Лучше бы, конечно, делитель и вольтметр стояли на одной металлической плите и оба к ней были бы заземлены. Просто увеличением сечения при такой геометрии, похоже, не снизить индуктивность по земле до приемлемого уровня.

Как паллиатив - поставить п фильтр на входе вольтметра, и как следует проземлить минусовой вход, чтобы он не прыгал относительно корпуса и розетки. Опять же, учитывая индуктивность.

[EUrry]

Спасибо! Посмотрю еще поподробнее рекомендации по защите мультиметра в руководстве к делителю. Там тоже акцент на заземление был.

[Herz]

2. Скорее всего соединен и сам экран является вторым проводником. Но у меня нет полной уверенности, что это коаксиал. Возможно, под экраном два провода (посмотреть невозможно, т. к. разъемы заделаны) - один от точки деления напряжения, другой - от корпуса делителя. У делителя байонетный коаксиальный выход, как у осциллографов.

А нельзя его на надёжный заменить? Мне кажется, при нормальном подключении этого должно быть достаточно.

[EUrry]

А нельзя его на надёжный заменить? Мне кажется, при нормальном подключении этого должно быть достаточно.

Вообще должен быть надежным, т. к. поставлялся в комплекте с делителем и мультиметром из Германии. Просто неизвестна его внутренняя конструкция. Там же с использованием этого кабеля была проведена совместная калибровка приборов.

[DS]

А нельзя его на надёжный заменить? Мне кажется, при нормальном подключении этого должно быть достаточно.

Проблема в том, что весь коаксиал в такой конфигурации подбрасывается на несколько киловольт.
Надо обеспечить невозможность разности потенциалов между минусом вольтметра и корпусом даже при больших производных напряжения, и ограничить скорость нарастания по центральному проводнику (плюсу вольтметра) относительно минуса.

[gte]

Есть некоторые проблемы с подключением.
В первую очередь смотрите на путь протекания тока при пробое. Источником этого тока являются емкости умножителя находящиеся за ограничительным резистором и емкость высоковольтных конструкций, пиковый ток которой при разряде не ограничивается резистором.
При пробое на индуктивности и сопротивлении проводов происходит выброс напряжения.
Необходимо сделать так, что бы этот выброс не прикладывался к входам мультиметра относительно приборной земли и между входами.
В источнике Спеллман соединение его общего провода выхода с проводом PE происходит в той точке, куда приходит возвратный провод. Эта точка и должна быть точкой подсоединения общего провода измерительного делителя отдельным проводником.
Еще, перенесите точку подключения возвратного провода ВИП ближе к "плюсу" нагрузки.
У Вас по схеме плюс нагрузки соединен с заземленной конструкцией. При пробое токи бегут и по возвратному проводу и по земле. Основной ток при пробое должен бежать по возвратному проводу. Для этого он должен иметь заметно меньшее сопротивление и индуктивность чем другие пути.

[EUrry]

Это было бы справедливо (с точностью до знака), если бы до этого момента "нижняя" была равна земле.

Ну, я так понял, что делитель не пополам, иначе какой смысл было его городить. А 0.1U или 0.01U - почти земля, с точностью 90 - 99%

Пока эта версия мне нравится более всего.

У Вас по схеме плюс нагрузки соединен с заземленной конструкцией. При пробое токи бегут и по возвратному проводу и по земле. Основной ток при пробое должен бежать по возвратному проводу. Для этого он должен иметь заметно меньшее сопротивление и индуктивность чем другие пути.

Я не думаю, что ток будет выбирать путь через делитель с сопротивлением 200 МОм (хотя, наверное, с учетом подключения мультиметра на порядок меньше, но сути это не меняет).

Посмотрел рекомендации по защите мультиметра в руководстве к делителю. Видимо, пробои в цепи нагрузки вообще недопустимы. Не могу понять на какие 2 точки разделяется масса (см. п. 1 ниже). Привожу также оригинал текста. Красным в переводе выделил непонятное мне. В оригинале - eliminator.

1) The direct ground between the voltage divider (VD) base and the high voltage supply low common ground connection is very important. However, if a flashover occurs and there is high capacitance in the output of the power supply, transients from capacitor discharge can make two separate ground points differ momentarily by several thousand volts. Thus the voltage between the common input terminal of the digital multimeter or the metering device and the power line ground may exceed the device's maximum limit.

2) A battery operated metering device insulated from ground, and with a low capacitance to ground, would be less likely to be damaged in case of flashover of the power supply. Remove battery charger or eliminator connection (if used) before measuring high voltage.

3) High voltage transients (especially from arcing in vacuum) may create wave trains of very high frequency that may damage the metering device. Try to make measurements when arc-over or transient generation is unlikely.

4) If a metering device is srored close to the high voltage area, high frequency trancients from a flasover might damage the device even if it is turned off and not connected to the HV VD.

-------------------------------------------------------------------

1) Непосредственное соединение массы между основанием высоковольтного делителя и низкопотенциальной клеммой источника питания или общей клеммой массы очень важно. Однако, если случается пробой, а в выходной цепи источника питания находится значительная емкость, то ее кратковременный разряд может привести к разделению массы на 2 различные точки с мгновенной разностью потенциалов до нескольких тысяч вольт. Таким образом, напряжение между входной клеммой массы мультиметра или другого измерителя и массой линии питания может превышать допускаемый предел для данного измерительного устройства.

2 Измерительные устройства с аккумуляторным питанием изолированы от общей массы и из-за малой емкости с общей массой возможно повреждение в случае искрового пробоя на выходе источника питания. Отключите зарядное устройство или заграждающий фильтр (если используется) перед измерением высокого напряжения.

3) Высоковольтные импульсы (специально для дугового разряда в вакууме) могут создать серию волн очень высокой частоты, которые могут привести к повреждению измерительного устройства. Выполненные измерения, когда горит дуговой разряд или происходит импульсная генерация, не корректны.

4) Если измерительное устройство имеет запас по высокому напряжению во всем диапазоне, то высокочастотные импульсы, возникающие при пробое могут повредить устройство, даже если оно выключено и отсоединено от высоковольтного делителя напряжения.

[DS]

Неправильный перевод - надо читать "переходный процессы при разряде конденсатора могут создать между двумя различными точками "земли" на короткое время разность потенциалов в тысячи вольт." Писал человек, у которого английский родной, ему понятно. По-русски тоже можно так завернуть, что без поллитра не разберешься.
eliminator - еще может означать заменитель, эквивалент (нагрузки, например).

[krux]

перевожу с аглицкого максимально близко по смыслу, не подглядывая в приведенный вами русский текст.

1) Непосредственное соединение земли между делителем и источником HV очень важно. Тем не менее, если к исотчнику HV подключена достаточно большая емкость, то при пробое перепады тока могут создать мгновенную разницу потенциалов в точках подключения к земле в единицы тысяч вольт. Поэтому напряжение между входной клеммой "общий" цифрового мультиметра (измерительного устройства) и земли линии передачи может превышать максимально допустимое для данного прибора.

2) Измерительное устройство, изолированное по своим цепям от земли, и имеющее малую емкость в цепях по отношению к заземляющим проводникам, менее подвержены повреждениям в случае пробоя HV.
[при проведении измерений] Уберите [исключите из цепей] зарядное устройство, а также прочие дуго-, искро- и т.п. гасящие и защитные устройства из цепей, которые могут создавать эту дополнительную емкость.

3) Броски тока в HV-цепях (особенно при пробое в вакууме) могут создавать высокочастотные EM-волны, которые могут повредить измерительное устройство.
Постарайтесь производить измерения тогда, когда пробои и броски тока наименее вероятны.

4) Если измерительное устройство хранится в непосредственной близости от места HV-испытаний, высокочастотные броски тока из-за пробоев могут повредить устройство, даже если оно выключено и не подключено к каким-либо HV-цепям.

[EUrry]

Неправильный перевод - надо читать "переходный процессы при разряде конденсатора могут создать между двумя различными точками "земли" на короткое время разность потенциалов в тысячи вольт."

Поэтому и привел оригинал. Спасибо за поправки DS и krux. Частично приведенный мной перевод уже тоже поправили. Так вот всё-таки "разделить две точки" или "создать разность потенциалов между двумя точками" - я физически представляю одинаково. Только, как Вы написали, по-русски наворотил так... Пытался дословно перевести, да еще ночью... Вот только одно мне осталось непонятным из перевода. Это возможно, когда земля плохая и на повышенном сопротивлении при протекании тока разряда создается разность потенциалов или же независимо от качества земля пробоев в нагрузке допускать нельзя? Слово "However" в п. 1 указывает на то, что несмотря на хорошую землю всё-равно пробои недопустимы?

Писал человек, у которого английский родной, ему понятно.

Американец, наверное!

eliminator - еще может означать заменитель, эквивалент (нагрузки, например).

Такое значение видел, но тоже не могу его пристроить.

перевожу с аглицкого максимально близко по смыслу, не подглядывая в приведенный вами русский текст.

1) Непосредственное соединение земли между делителем и источником HV очень важно. Тем не менее, если к исотчнику HV подключена достаточно большая емкость, то при пробое перепады тока могут создать мгновенную разницу потенциалов в точках подключения к земле в единицы тысяч вольт. Поэтому напряжение между входной клеммой "общий" цифрового мультиметра (измерительного устройства) и земли линии передачи может превышать максимально допустимое для данного прибора.

2) Измерительное устройство, изолированное по своим цепям от земли, и имеющее малую емкость в цепях по отношению к заземляющим проводникам, менее подвержены повреждениям в случае пробоя HV.
[при проведении измерений] Уберите [исключите из цепей] зарядное устройство, а также прочие дуго-, искро- и т.п. гасящие и защитные устройства из цепей, которые могут создавать эту дополнительную емкость.

3) Броски тока в HV-цепях (особенно при пробое в вакууме) могут создавать высокочастотные EM-волны, которые могут повредить измерительное устройство.
Постарайтесь производить измерения тогда, когда пробои и броски тока наименее вероятны.

4) Если измерительное устройство хранится в непосредственной близости от места HV-испытаний, высокочастотные броски тока из-за пробоев могут повредить устройство, даже если оно выключено и не подключено к каким-либо HV-цепям.

1) Т. е. Вы понимаете так же как и я в первом варианте - независимо от качества земли возможно повреждение при пробое.

2) Вторая часть перевода очень интересна и физична. Это, видимо, как раз тот злосчастный eliminator в качестве "гасителей". Спасибо. А Вы где-то встречали это слово в словарях или какой-то опыт? Я смотрел Lingvo и Multitran.

3) -

4) Приведенный ранее перевод уже поправили в том же направлении. Двое против одного - следует задуматься! На самом деле перевод плохо давался, я так и думал, что там какая-то сложная словесная конструкция, а не просто набор слов. Пришлось немного пофантазировать - неудачно.

[gte]

Пока эта версия мне нравится более всего.

Я не думаю, что ток будет выбирать путь через делитель с сопротивлением 200 МОм (хотя, наверное, с учетом подключения мультиметра на порядок меньше, но сути это не меняет).

Посмотрел рекомендации по защите мультиметра в руководстве к делителю. Видимо, пробои в цепи нагрузки вообще недопустимы. Не могу понять на какие 2 точки разделяется масса (см. п. 1 ниже). Привожу также оригинал текста. Красным в переводе выделил непонятное мне. В оригинале - eliminator.

То, что я написал другими словами написано в руководстве.
Конкретно по присоединение - у Вас общий провод делителя и измерителя находится в точке, которая соединена проводником с общим проводом источника и при пробое на этом отрезке будет импульс напряжения из-за протекания по этому отрезку разрядного тока.

Надо соединять отдельным ответвлением так, что бы по общему проводу от делителя-измерителя до общего провода источника HV при пробое броска тока не было. В том числе принять меры для уменьшения емкостного тока от других проводов и наведенной ЭДС.

Отрезке, отмеченным красной линией, при пробое будет бросок тока с очень крутым фронтом. Соответствующий импульс напряжения может повредить прибор вплоть до пробоя внутри измерителя на питающую сеть.

[DS]

Поэтому и привел оригинал. Спасибо за поправки DS и krux. Частично приведенный мной перевод уже тоже поправили. Так вот всё-таки "разделить две точки" или "создать разность потенциалов между двумя точками" - я физически представляю одинаково. Только, как Вы написали, по-русски наворотил так... Пытался дословно перевести, да еще ночью... Вот только одно мне осталось непонятным из перевода. Это возможно, когда земля плохая и на повышенном сопротивлении при протекании тока разряда создается разность потенциалов или же независимо от качества земля пробоев в нагрузке допускать нельзя? Слово "However" в п. 1 указывает на то, что несмотря на хорошую землю всё-равно пробои недопустимы?

Проблема в скоростях нарастания напряжения в пробое - тут даже проводящие плоскости начинают себя вести "неадекватно" - в частности, четко выявляются сферические волны от места пробоя. Что себе тяжеловато представить. Т.е. земля для таких пробоев всегда по опеределению плохая. Надо бороться только у клемм вольтметра.
Но петли из проводов - для сотни вольт в нс - просто изолятор, учтите это.

Я выше предлагал поставить П-фильтр, чтобы защитить + вход, а - вход - соединить лентой с землей именно вольтметра. И прикинуть индуктивность внешней оболчки коаксиала, чтобы она была в достаточное число сотен раз болше индуктивности ленты. Но честно скажу, без гарантии.