1.5. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ
При первом включении измерительного устройства для записи импульсов напряжения или тока, состоящего из делителя или шунта, соединительного кабеля и осциллографа, обычно получают на экране изображение, показанное на рис. 13. В подавляющем числе случаев изображение не соответствует действительному изменению во времени изучаемого процесса. На измеряемый сигнал и (t) накладывается напряжение помех, которое различными путями проникает к отклоняющим пластинам. В сомнительных случаях легко убедиться, являются ли ВЧ колебания составной частью регистрируемого сигнала или помехой, осуществив два контрольных измерения. При первом измерении оболочка кабеля соединяется с заземленным выводом источника напряжения (делителя напряжения или шунта), внутренний же провод остается не присоединенным к источнику. Другими словами, измерительный кабель со стороны источника напряжения находится в режиме х. х. При другом контрольном измерении у источника напряжения заземляется и жила кабеля, т. е. последний работает в режиме к. з. В обоих случаях не должно наблюдаться отклонение луча в течение протекания изучаемого явления.
Рис. 13. Осциллограмма апериодического импульса тока разряда конденсатора с помехой в виде наложенных высокочастотных колебаний Рис. 14. Полностью экранированная передвижная измерительная кабина:
1 — блок сетевого питания с устройствами подавления помех, распространяющихся по проводам питания; 2 — решетчатые окна для освещения и вентиляции (фирма Siemens)
Причинами помех являются появление потенциалов и электромагнитных полей, связанных с быстро изменяющимися напряжениями и токами, в частности с зарядкой и разрядкой паразитных емкостей при изменениях паразитных полей [8—11, 22, 38—41].
Для возникновения искаженного изображения имеются четыре причины.
- Электромагнитное поле проникает сквозь неполностью экранированный корпус осциллографа и вызывает непосредственно искажения по вертикали. Это явление можно устранить, поместив осциллограф в экранированную кабину (рис. 14). В зависимости от напряженности поля и частоты часто бывает достаточным поместить осциллограф в металлический ящик, открытый с одной стороны. Влияние поля помех может быть ослаблено увеличением расстояния между осциллографом и контуром с током. Полностью экранированные измерительные кабины ослабляют помехи на 80—100 дБ при частотах до 30 ГГц, что соответствует коэффициенту экранирования 10~4—10~б. Тем самым почти всегда полностью исключается непосредственное воздействие на осциллограф.
- Квазистационарные магнитные и электрические поля проникают в не полностью экранированные измерительные цепи. Электрические поля, проникающие через отверстия в плетеной оболочке кабеля, непосредственно индуктируют на жиле кабеля напряжение помехи. Мерой такого рода помех может служить так называемая прозрачность кабеля. Электромагнитное поле по обе стороны жилы кабеля создает одинаковые по значению и противоположно направленные напряжения, которые взаимно компенсируются. Из-за всегда имеющегося эксцентриситета жилы кабеля возникает остаточное напряжение. Однако помехами обоих видов в большинстве случаев можно пренебречь по сравнению с помехами, вызванными протеканием токов по оболочке кабеля [657—661].
- Осциллограф воспринимает помехи 30 МГц) по проводам питания. Помехи этого вида целесообразно уменьшать путем питания осциллографа через вводы-фильтры. Такие фильтры состоят обычно из двух емкостных элементов и одного индуктивного, включенных по П-образной схеме. На рис. 15 приведены схема замещения такого ввода-фильтра с широкой полосой запирания и зависимость затухания от частоты [12]. Для достижения хорошей фильтрации в широком диапазоне частот такой фильтр обычно встраивается в стенки экрана — корпуса осциллографа и одновременно проводятся перечисленные выше мероприятия по экранированию. Иногда бывает достаточно провод сетевого питания намотать на ферритовый сердечник или поместить провод в гибкий металлический чулок, имеющий хороший электрический контакт с корпусом экрана и с корпусом осциллографа.
- Токи, протекающие по оболочке кабеля и корпусу, вызывают появление разных потенциалов на заземляющих проводах, падение напряжения на которых за счет электромагнитных связей с измерительными проводами вызывает помехи. Если по оболочке кабеля или по экрану протекает ток, обусловленный внешним источником напряжения, то он вызывает падение напряжения на их внутренней поверхности, которое может быть уже заметной помехой в системе проводников, заключенных внутри оболочки кабеля [34, 575, 660, 661]. Сопротивление на единицу длины., обусловленное связью, может быть определено в соответствии с данными на рис. 16:
- рис. 15. Характеристика затухания широкополосного фильтра-ввода фирмы Siemens (тип В 85321 ABO 1), измеренная совместно с кабелем с Zc = 60 Ом:
1 — предел измерения
при этом предполагается, что длина кабеля I меньше четверти длины волны измеряемого сигнала. Чем меньше сопротивление связи коаксиального кабеля, тем лучше его экранирующее действие и тем ниже напряжение помехи. Иногда для уменьшения сопротивления связи используют кабели с двойными или тройными оболочками, а также гибкие кабели со сплошной гофрированной металлической оболочкой, хорошо проваренной на швах. На рис. 17 показаны зависимости сопротивления связи от частоты для такого кабеля (/) и обычного кабеля с плетеной оболочкой (2). Причины различного хода этих зависимостей приведены выше.
В такой же мере, как и сопротивление связи кабеля, дополнительные помехи создают токи, протекающие по переходным сопротивлениям коаксиальных разъемов, а также съемных крышек корпуса.
Рис. 16. К определению сопротивления связи Zсв (0 коаксиального кабеля
Рис. 17. Сопротивление связи ZCQ гибкого кабеля с гофрированной металлической оболочкой (1) и обычного кабеля (2)
Ток в оболочке кабеля через связанный с корпусом осциллографа элемент разъема протекает по корпусу осциллографа и замыкается далее через емкости осциллографа относительно земли и по проводнику, заземляющему корпус осциллографа в соответствии с требованиями техники безопасности. Этот ток создает падение напряжения на участках корпуса, которое накладывается на полезный сигнал или частично за счет емкостных связей попадает на входные цепи и сетки ламп осциллографа (рис. 18).
Рис. 18. Схема, поясняющая механизм возникновения сопротивления связи усилитель—корпус
При длинах кабеля несколько метров сопротивление связи осциллографа обычно превышает сопротивление связи кабеля. Для оценки сопротивления связи осциллографа и связанной с ним помехи в оболочке закороченного на входе кабеля создают скачок тока (рис. 19) [674, 675]. В качестве источника тока используют импульсный генератор с ртутным коммутатором. Осциллограмма на рис. 20 демонстрирует картину на экране осциллографа, характерную для многих таких измерений.
Наибольшее максимальное значение напряжения помехи изменяется обычно мало при размыкании короткозамкнутого входа кабеля, как и при непосредственном заземлении осциллографа через заземляющий вывод. Также практически не изменяются ВЧ составляющие помехи, если оба прибора работают без защитного заземления, так как ВЧ токи замыкаются через емкости корпусов относительно земли.
Причудливый характер помех возникает, во-первых, из-за резонансного характера сопротивления связи осциллографа, во-вторых, вследствие переходных процессов при распространении сигнала по оболочке кабеля. При хорошо поставленном опыте со скачкообразным изменением тока определяются изменения переходного тока во времени и смещения потенциала вследствие многократных отражений и колебаний во всей системе заземления. Ниже исследуются причины, вызывающие токи в оболочках кабелей, и указываются способы их устранения.
Рис. 19. Определение чувствительности осциллографа к помехам от токов, протекающих по корпусу
Рис. 20. Помехи, вызванные током 1 А, протекающим по корпусу. При изменении положения аттенюатора от 1 мВ/см до 20 В/см сигнал изменяется незначительно
1. Падения напряжения на заземляющем проводнике. Для обеспечения безопасности работы корпуса электрических приборов обычно соединяются с нулевым проводом многофазной питающей сети или присоединяются к контуру заземления. По заземляющим проводникам протекают токи нагрузки присоединенных к сети потребителей, а в нулевом проводе протекает часть тока питания данного прибора. Из-за электрического соединения корпуса прибора с заземлением по соединительному проводнику может протекать некоторый ток промышленной частоты. Этот ток вызывает падение напряжения вдоль провода заземления и между зажимами заземления и заземленными частями выводов или разъемов на входе, вследствие чего на корпусе осциллографа может быть заметное напряжение. Если находящиеся рядом электронные приборы питаются от разных розеток, то оболочки измерительных кабелей образуют заземленные контуры. В этих петлях протекают выравнивающие токи, которые вызывают помехи, имеющие частоту питающей сети (фон промышленной частоты). Для устранения этого явления, необходимо разорвать заземленные петли и оставить только один прибор с заземляющим проводом, при этом не будет нарушения правил техники безопасности, так как между заземленным прибором и остальными приборами, непосредственно не связанными с контуром заземления, имеется электрическая связь по оболочкам измерительных кабелей. Несмотря на это, рекомендуется использовать дополнительные защитные средства, такие, как стенды из изоляционных материалов и т. д.
Такой же эффект наблюдается при измерении быстро изменяющихся высоких напряжений, если контур высокого напряжения соединен непосредственно с контуром заземления, а осциллограф присоединен к этому контуру защитным проводом. Если нет помех от питающей сети, то часто осциллограф эксплуатируется без защитного соединительного заземляющего проводника. Однако и в этом случае возникают ВЧ помехи, так как осциллограф и другие приборы имеют емкости относительно земли.
Рис. 21. Схематическое представление возникновения токов в оболочке кабеля за счет индуктированной и наведенной ЭДС и разности потенциалов между заземленными точками измерительной петли:
ИП — искровой промежуток; С — емкость генератора; Ян — шунт; L — индуктивность генератора;
в\ (t) — индуктированная ЭДС в контуре заземления; e2(t) — индуктированная ЭДС в защитном заземляющем проводе; е3(0 — наведенная ЭДС
- Индуктированные и наведенные ЭДС, связанные с быстро изменяющимися процессами. Квазистационарные электромагнитные и электрические поля наводят на оболочке кабеля и индуктируют в контуре оболочка кабеля—земля ЭДС, которые и вызывают протекание токов в оболочках кабеля и корпусах приборов (рис. 21). Действие обоих полей ослабляется, если измерительные провода заключить в стальные экранные трубы, заземленные на концах. Стальные трубы являются почти идеальными экранами, так как силовые линии поля не достигают оболочек кабелей, а заканчиваются на заземленной трубе. При очень высоких частотах экранирующее действие уменьшается, однако в большинстве случаев затухание поля оказывается достаточно сильным [34]. Экранирование переменного магнитного поля основано на протекании тока в петле, образованной заземленной по концам трубой и землей. Электромагнитное поле этого тока компенсирует внешнее поле.
- Смещения потенциала в разрядной цепи. Смещения потенциала в импульсном генераторе наряду с наведенными и индуктированными ЭДС являются существенными причинами помех.
На рис. 22, а, б показаны контуры высокого напряжения, состоящие из генератора Г и объекта испытаний Н (Z3 — сопротивление земли).
1 Между элементами устройства, находящимися под высоким потенциалом и заземленными предметами, существуют паразитные емкости Сп, которые при импульсных процессах быстро заряжаются и разряжаются. Вследствие больших скоростей изменения напряжения токи заряда и разряда могут быть очень большими [9—11]. Эти токи протекают через сопротивление заземления генератора и создают даже при малых значениях Z3 существенные смещения потенциала, а также выравнивающие токи во всей системе заземления. Если контур высокого напряжения находится внутри клетки Фарадея (рис. 22, б), то все силовые линии заканчиваются на экране. Токи протекают по внутренней стенке клетки [34] и не могут создать смещения потенциала на сопротивлении Z3. В этом случае нет необходимости стремиться к малому значению сопротивления заземления.
Рис. 22. Смещение потенциала точки заземления разрядной цепи: а — картина силовых линий в обычной установке; б — то же для установки, помещенной в клетке Фарадея [22]
Рис. 24. Схематическое представление разрядной цепи для пояснения возникновения помех за счет смещения потенциала на обратном проводе разрядного контура при заземлении за шунтом
Рис. 23 наглядно иллюстрирует возникновение смещения потенциала вдоль обратного провода, идущего к импульсному генератору. После срабатывания искрового промежутка ИП конденсатор С разряжается через индуктивность L и шунт Rm. В точке присоединения кабеля Р разрядный ток разветвляется.
Рис. 23. Схематическое представление разрядной цепи для пояснения возникновения помех за счет смещения потенциала на обратном проводе разрядного контура при заземленном генераторе
Подавляющая часть тока протекает обратно к конденсатору непосредственно по соединительному проводу, при этом ток вызывает падение напряжения на обратном соединительном проводе с сопротивлением Z, и поэтому потенциал точки Р смещается. Это смещение потенциала является ЭДС для тока в цепи оболочки кабеля. Чтобы ее ослабить, рекомендуется заземлять импульсный генератор не у его основания, а в точке разветвления Ру т. е. у одного из выводов шунта (рис. 24). В этой схеме точка Р имеет потенциал земли, однако смещается примерно на ту же величину потенциала, что и точка Р в схеме на рис. 23 (потенциал нулевого вывода конденсатора С). Из-за наличия паразитных емкостей разрядного контура относительно земли также возникают ЭДС, вызывающие протекание токов в оболочке кабеля. Очевидно, имеется оптимальный вариант выполнения заземления, при котором токи в оболочках кабелей и по корпусам приборов сравнительно невелики. Однако совсем их устранить не удается. Выходом из положения является конструирование устройства в соответствии со схемой, приведенной на рис. 25, при котором исключаются протекание тока любого происхождения по оболочкам кабелей и корпусам приборов.
Вследствие эффекта вытеснения ток помехи протекает в основном по дополнительному внешнему экрану и внешней поверхности экранированной кабины. Таким образом он отводится от оболочек кабеля и корпуса осциллографа. Чтобы отвести ток, применяют экранированные кабины и кабели с двойными оболочками, несмотря на слабое экранирующее действие оплеток. Вместо кабины часто используют металлическую коробку, открытую с одной стороны и со смонтированной на другой стороне сетевой розеткой. Снижение ответвляемого в оболочку кабеля тока достигается с помощью ферритовых сердечников, которые одеваются на измерительный кабель, повышают сопротивление цепи к токам помех и вытесняют эти токи на внешний экран [594].
Рис. 25. Схема устройства с подавлением токов помех в оболочке кабеля и в корпусе:
1 — медный дополнительный экран; 2 — ферритовые сердечники; 3 — измерительный кабель; 4 — экранированная кабина
Рис. 26. Подавление токов помех в оболочке кабеля и в корпусе путем намотки измерительного кабеля на сердечник из магнитомягкого материала
В простейших случаях можно не допустить протекания ВЧ токов в оболочке кабеля, если часть кабеля навить на магнитомягкий сердечник (рис. 26). Увеличение индуктивности пропорционально квадрату числа витков. При этом оболочка кабеля должна иметь пластмассовую внешнюю изоляцию, чтобы исключить замыкание между отдельными витками кабеля и снизить межвитковые емкости. При больших длинах кабеля становится заметным влияние распределения напряжения и тока по оболочке кабеля. В этих случаях один концентрированный намотанный кабелем дроссель обладает не очень широкой полосой запирания. При определенных частотах узлы тока могут оказаться в местах присоединения дросселя. Поэтому нужно токи в оболочке, длина волны которых меньше длины измерительного кабеля, ослабить путем распределенного по длине кабеля включения дросселей [14].
Рекомендуется прокладывать измерительные провода за пределами экранов, например в стальных трубах, проложенных за экранирующей сеткой помещения. Токи зарядки и разрядки паразитных емкостей вследствие вытеснения тока стремятся протекать по внутренней стороне экранов (см. пояснение к рис. 22). Поэтому проложенных в оболочках таким способом кабелей нет помех.
Импульсные устройства, используемые при приемо-сдаточных испытаниях электрической изоляции электротехнического оборудования, имеют не только измерительный кабель от делителя напряжения к осциллографу, но и большое число других проводов для целей измерения и управления, связывающих импульсный генератор с пультом управления.
Рис. 27. Схематическое представление соединений в испытательной импульсной установке [35]:
а — рациональное расположение проводов цепи управления и измерительных кабелей; б — неправильное расположение измерительных кабелей и проводов цепи управления; 1 — прибор для измерения импульсного напряжения; 2 — пульт управления; 3 — выпрямитель высокого напряжения; 4 — измерительный разрядник; 5 — делитель напряжения; 6 — генератор импульсных напряжений; 7 — испытуемый объект
Здесь особенно велика опасность случайного и неконтролируемого возникновения петель заземленных проводов. На рис. 27, б приведена принципиальная схема импульсного устройства, в которой следует ожидать неконтролируемые смещения потенциалов и неудовлетворительные результаты измерений [35]. На рис. 27, а приведена рекомендуемая схема такого же устройства. В нем все провода проложены скрыто в кабельных каналах. Все они не пересекаются, а только разветвляются.
Однако если внешние обстоятельства особенно неблагоприятны, то, несмотря на выполнение всех описанных мероприятий по подавлению помех, может оказаться, что результаты измерений вызывают сомнения (хотя автор пока не знает ни одного подобного случая). Тогда можно рекомендовать полное электрическое разделение разрядных и измерительных контуров и передачу измеряемых сигналов оптическим путем [30—33, 595, 806—810].
