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Theses Year : 2023

Standard measurement system for SI traceable measurement of high voltage pulses up to 500 kV in the nanosecond and sub-nanosecond range

Système de mesure étalon pour la mesure traçable au SI des impulsions haute tension jusqu'à 500 kV dans le domaine nanoseconde et sub-nanoseconde

Abstract

The work of this PhD thesis is dedicated to developing a standard measurement system to ensure the SI traceability of high pulsed power in the nanosecond and subnanosecond domain (HPPNS). This traceability is mandatory for the accurate and precise measurements of the voltage waveforms which constitutes the key element of systems based on high pulsed power. A calibration system has been developed for the characterization of high voltage pulses of amplitudes up to 500 kV with rise times as low as few hundreds of picoseconds.The developed HPPNS measurement system is divided into four components: The voltage divider, the termination load, the high-voltage connectors, and the transition cones. The voltage divider is the central component of this measurement system as it permits the analysis of HPPNS waveforms through a calibrated oscilloscope by lowing the voltage amplitudes of the HPPNS waveforms to adequate levels which could be measured through an oscilloscope and without waveform deformation. Some voltage dividers of the scientific literature are discussed and compared. The voltage divider designed through analytical and numerical calculations has a high value of the division ratio which is relatively constant as a function of frequency up to at least 2 GHz, together with a linear phase response. However, its performances in terms of measuring accurately and precisely the incident HPPNS waveforms depend also on the characteristics of the transmission line termination load since the reflections from an inadequately matched line termination load could lead to the misunderstanding of the measured waveform at the output of the divider. A 50 Ω line termination load is developed and characterized. It has high insulation properties for voltage amplitudes up to 500 kV and a maximum reflection coefficient of -27 dB as a function of frequencies up to 2 GHz. The characterization of the complete HPPNS measurement system was carried out in two steps. Firstly, the HPPNS measurement system was characterized at low levels of input power by two different methods, namely, VNA characterization and characterization through a SI traceable high frequency attenuation measurement method. The results obtained from these two methods were compared to the CST modelling results and all of these results were found to be in good agreement with each other. These characterizations demonstrated that the developed HPPNS measurement system possesses a high division ratio of around 85 dB, a bandwidth of 2 GHz, and a linear phase response. Furthermore, a 7 GHz bandwidth commercial attenuator was added at the output of the divider and this whole system was re-characterized by both low power methods. The results obtained are as follows: almost 110 dB of division ratio, a bandwidth of 2 GHz and a linear phase response. In the second characterization step, this system was tested at high power levels through a Max generator. Different high voltage waveforms of voltage peaks as high as 300 kV and rise times as low as 420 picoseconds were successfully measured through this system and an uncertainty budget is drafted. The measurement uncertainties for these high voltage measurements were calculated to be 3.4 % for the voltage peaks and 87 picoseconds for the temporal parameters.
Le travail de cette thèse de doctorat est dédié au développement d'un système de mesure étalon pour assurer la traçabilité SI des hautes puissances pulsées dans le domaine nanoseconde et subnanosecond (HPPNS). Cette traçabilité est nécessaire pour les mesures exactes et précises des formes d'onde de tension qui constituent l'élément clé des systèmes basés sur la haute puissance pulsée. Un système d'étalonnage a été développé pour la caractérisation d'impulsions haute tension d'amplitudes jusqu'à 500 kV avec des temps de montée aussi faibles que quelques centaines de picosecondes.Le système de mesure HPPNS développé est divisé en quatre composants : le diviseur de tension, la charge de terminaison, les connecteurs haute tension et les cônes de transition. Le diviseur de tension est le composant central de ce système de mesure car il permet l'analyse des formes d'onde HPPNS à travers un oscilloscope calibré en abaissant les amplitudes de tension des formes d'onde HPPNS à des niveaux adéquats qui peuvent être mesurés à travers un oscilloscope sans déformation de forme d'onde. Le diviseur de tension conçu par calculs analytiques et numériques a une valeur élevée du rapport de division qui est relativement constante en fonction de la fréquence jusqu'à au moins 2 GHz, ainsi que des réponses de phase linéaires. Cependant, ses performances en termes de mesure exacte et précise des formes d'onde HPPNS incidentes dépendent également des caractéristiques de la charge de terminaison de ligne de transmission puisque les réflexions d'une charge de terminaison de ligne insuffisamment adaptée pourraient conduire à une mauvaise interprétation de la forme d'onde mesurée à la sortie du diviseur. Une charge de terminaison de ligne de 50 Ω est développée et caractérisée. Elle possède des propriétés d'isolation élevées pour des amplitudes de tension jusqu'à 500 kV et un coefficient de réflexion maximum de -27 dB en fonction de la fréquences jusqu'à 2 GHz.La caractérisation du système de mesure HPPNS complet a été réalisée en deux étapes. Premièrement, le système de mesure HPPNS a été caractérisé à de faibles niveaux de puissance d'entrée par deux méthodes différentes, à savoir la caractérisation au VNA et la caractérisation par une méthode de mesure d'atténuation haute fréquence traçable au SI. Les résultats obtenus à partir de ces deux méthodes ont été comparés aux résultats de la modélisation CST et tous ces résultats se sont avérés en bon accord les uns avec les autres. Ces caractérisations ont démontré que le système de mesure HPPNS développé possède un rapport de division élevé d'environ 85 dB, une bande passante de 2 GHz et une réponse de phase linéaire. De plus, un atténuateur commercial ayant une bande passante de 7 GHz a été ajouté en sortie du diviseur et tout ce système a été re-caractérisé par les deux méthodes basse puissance. Les résultats obtenus sont les suivants : près de 110 dB de rapport de division, un bande passante de 2 GHz et une réponse de phase linéaire. Dans la deuxième étape de caractérisation, ce système a été testé à des niveaux de puissance élevés via un générateur de Max. Différentes formes d'onde haute tension de pics de tension aussi élevés que 300 kV et de temps de montée aussi bas que 420 picosecondes ont été mesurés avec succès grâce à ce système et un budget d'incertitude a été établi. Les incertitudes de mesure pour ces mesures à haute tension ont été calculées à 3,4 % pour les pics de tension et à 87 picosecondes pour les paramètres temporels.
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tel-04032644 , version 1 (16-03-2023)

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  • HAL Id : tel-04032644 , version 1

Cite

Mohammad Saif Khan. Standard measurement system for SI traceable measurement of high voltage pulses up to 500 kV in the nanosecond and sub-nanosecond range. Electric power. Université Paris-Saclay, 2023. English. ⟨NNT : 2023UPAST011⟩. ⟨tel-04032644⟩
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