Шваб А.
Измерения на высоком напряжении: Измерительные приборы и способы измерения. —1983. (Часть)
Описаны методы измерения быстро изменяющихся высоких напряжений и больших токов и применяемое для этой цели оборудование. Рассмотрены достижения в этой области за последние годы, в частности дано описание оптических методов измерения, техники измерения частичных разрядов, принципов действия новой измерительной аппаратуры.
Для инженерно-технических работников электротехнической промышленности и в энергосистемах. Может быть использована также студентами и аспирантами вузов.
ОСЦИЛЛОГРАФИРОВЛНИЕ БЫСТРО ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИИ И БОЛЬШИХ ТОКОВ
В технике высоких напряжений наибольшие трудности возникают при измерениях и регистрации быстро изменяющихся токов и напряжений. Максимальное значение измеряемых токов может достигать нескольких миллионов ампер, а напряжений — нескольких миллионов вольт. Поэтому непосредственные измерения становятся невозможными. В большинстве случаев от делителя напряжения или шунта получают сигнал, который в большей или меньшей степени пропорционален измеряемой величине. Этот сигнал передается по кабелю к измерительной схеме и регистрируется электронно-лучевым осциллографом. Как и в процессе преобразования измеряемой величины в измерительный сигнал, так и при передаче сигнала по измерительному кабелю и его регистрации на экране осциллографа возникают погрешности. Кроме того, в измерительной цепи индуктируются напряжения помех, вызванных электромагнитными полями, связанными с переходными процессами. Эти помехи при конструкции измерительной цепи, обычной для радиотехнических схем, делают невозможной обработку результатов измерений. В данной главе будут рассмотрены в первую очередь только проблемы, возникающие при регистрации уже имеющегося сигнала и (t). Погрешности, связанные с преобразованием измеряемой величины в измерительный сигнал, рассматриваются отдельно.
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ
Вместо ранее применяемых осциллографов с холодным катодом в настоящее время в лабораториях высокого напряжения применяются исключительно осциллографы с электронно-лучевой трубкой.
Преимущество осциллографов с холодным катодом заключалось в высокой скорости записи и в том, что высокое напряжение можно было подвести непосредственно к измерительным пластинам без делителя. Чувствительность применяемых в настоящее время осциллографов колеблется от нескольких милливольт до ста вольт на сантиметр, поэтому необходимо включать промежуточный делитель. Разработанные в настоящее время делители напряжения, обладающие хорошими передаточными свойствами при очень быстрых изменениях напряжения, дают возможность не подводить напряжение непосредственно к пластинам осциллографа. Кроме того, в настоящее время можно обеспечить необходимую полосу пропускания осциллографа путем применения соответствующего ускоряющего напряжения.
Например, осциллограф типа «Tektronix 7904» с полосой пропускания 1 ГГц при ускоряющем напряжении 24 кВ имеет скорость записи 10 см/нс, а с диффузной подсветкой — 20 см/нс. Осциллографы с оптоэлектронным усилением изображения позволяют даже при нормальном комнатном освещении непосредственно наблюдать сигнал при 20 см/нс («Tektronix 7104», см. также § 1.2).
Специальные осциллографы для регистрации импульсных напряжений не имеют усилители вертикального отклонения. Их входная чувствительность определяется чувствительностью вертикально отклоняющих пластин трубки и составляет несколько десятков вольт на 1 см (например, для «Tektronix 507», «Hipotronics ISO—77А» — 50 В/см). Входной сигнал подводится в большинстве случаев через сменный аттенюатор непосредственно к отклоняющим пластинам.
Рис. 1. Упрощенная структурная схема импульсного электронно-лучевого осциллографа типа 507 фирмы Tektronix:
1 — входной разъем; 2 — усилитель; 3 — генератор напряжения развертки; 4 — сменная линия задержки
Рис. 2. Двухлучевой импульсный осциллограф для одновременного наблюдения двух быстро изменяющихся напряжений (фирма Haefely, время нарастания импульса 5 не, чувствительность 100 В/см)
На рис. 1 приведена упрощенная структурная схема осциллографа «Tektronix 507».
В отличие от обычно используемых в радиотехнике и в высокочастотной технике электронно-лучевых осциллографов с входной чувствительностью несколько милливольт на 1 см осциллографы для измерения импульсных напряжений менее чувствительны к помехам, так как разница между полезным сигналом и помехами сравнительно велика. Однако можно использовать и обычные электронно-лучевые осциллографы с высокой чувствительностью, если предусмотреть меры по подавлению помех (см. § 1.5).
Современные электронно-лучевые осциллографы с чувствительностью около 1 мВ/см изготовляются чаще всего в помехозащищенном исполнении с фильтрами в цепи питания от сети и с непроницаемым для ВЧ полей корпусом. Они в значительной степени гарантируют работу при электромагнитных помехах, воздействующих на осциллограф как по цепям питания, так и извне в виде излучений (например, «Tektronix 466»).
На рис. 2 показан осциллограф фирмы Haefely. Двухлучевая трубка позволяет наблюдать одновременно два импульса напряжения. Это дает возможность производить, например, испытания изоляции трансформаторов и электротехнических установок [73—78, 573, 574].
Встречающиеся в технике высоких напряжений быстро изменяющиеся напряжения и токи представляют собой в большинстве случаев однократные импульсы. Для их регистрации требуется управляемый запуск генератора пилообразного напряжения временной развертки осциллографа. В зависимости от того, запускается генератор временной развертки от измеряемого сигнала или запуск происходит в определенный момент от внешнего сигнала, подводимого к особому входному гнезду, осциллографы подразделяют на два типа — с внутренним и с внешним запуском. Пусковой импульс проходит через специальный усилитель и запускает генератор временной развертки. Генерируемое пилообразное напряжение усиливается до значения, необходимого для получения изображения, с помощью горизонтальных отклоняющих пластин. От момента прихода измеряемого сигнала до появления временной развертки протекает приблизительно 100 не.
Рис. 3. Упрощенная структурная схема электронно-лучевого осциллографа:
1 — входной усилитель с аттенюатором; 2 — усилитель вертикального отклонения;
3 — линия задержки; 4 — выходной каскад системы отклонения; 5 — усилитель пускового сигнала; 6 — генератор развертки; 7 — усилитель горизонтального отклонения
Другими словами, измеряемый сигнал на вертикальные отклоняющие пластины поступает раньше на указанное время. Но так как в этот момент еще не работает временная развертка, то фронт импульса на экране не изображается. Для устранения этого недостатка измеряемый сигнал задерживается на определенное время линией задержки. В большинстве случаев линия задержки встроена в усилителе (рис. 3).
Для осциллографов без встроенной линии задержки можно воспользоваться различными способами задержки и запуска:
- Измерительный кабель длиной 20—40 м, идущий от делителя напряжения к осциллографу, используется одновременно в качестве линии задержки. Запуск осуществляется от антенны, подключенной к пусковому входу осциллографа.
- Измеряемый сигнал поступает по измерительному кабелю нормальной длины. Запаздывание обеспечивается путем подключения дополнительного коаксиального кабеля, длина которого выбирается по требуемому времени пробега (см. рис. 1). Небольшая часть измеряемого сигнала поступает на высокоомный вход усилителя запуска, с выхода которого снимается импульс определенной формы, служащий для запуска генератора развертки.
- Осуществляется управление генератором измеряемых импульсов напряжений или токов. Для этого необходим электронный управляющий прибор, генерирующий по команде минимум два импульса с регулируемым интервалом между ними. Первый импульс служит для запуска осциллографа, второй — импульсного генератора. Обычно управляющий прибор генерирует еще третий импульс в заданный момент времени, служащий для управления работой срезающего разрядника (например, управляющий прибор фирмы Haefely, рис. 4).
Если необходимо только запускать генератор и не требуется запуска срезающего разрядника, то можно отказаться от специального управляющего прибора. Например, осциллограф «Tektronix 507» имеет встроенный генератор, который после нажатия кнопки на лицевой панели осциллографа запускает развертку осциллографа и выдает на ВЧ разъем импульс напряжением около 700 В. Этот импульс после усиления может быть использован для запуска импульсного генератора. От момента нажатия кнопки до срабатывания генератора импульсных напряжений проходит определенное время, за которое успевает запуститься генератор развертки осциллографа.
Существенными достоинствами управляющего прибора являются хорошая воспроизводимость независимо от зарядного напряжения генератора, возможность
Рис. 4. Электронный многоканальный прибор для управления работой осциллографа, генератора импульсных напряжений и устройства для получения срезанного импульса напряжения (фирма Haefely)
применения при импульсах с крутым и пологим фронтами, а также встроенная защита от перезарядки в случае неуспешного запуска генератора импульсных напряжений.
Третий способ особенно целесообразен, так как длина кабеля, соединяющего делитель напряжения и осциллограф, не связана с требуемым временем задержки. Поэтому могут быть использованы сравнительно короткие кабели, погрешности передачи сигнала в которых могут быть пренебрежимо малы по сравнению с прочими погрешностями.
В случае предельной полосы пропускания (100—2000 МГц) вертикальная отклоняющая система усложняется и состоит не из верхней и нижней пластин,
Рис. 5. Электронно-лучевая трубка с волновой отклоняющей системой:
Zi — согласующее сопротивление
а из многих электродов, электрически связанных между собой в цепочку (рис. 5). Параметры цепочки подобраны так, чтобы скорость распространения сигнала вдоль отклоняющей системы была равна скорости электронов в электронном пучке трубки [18, 541]. При более высоких частотах отклоняющая система представляет собой два плоских электрода с постоянным волновым сопротивлением [19].
Если полностью попользуется полоса пропускания такой трубки, то работают без усилителя по вертикали и сигнал подводят непосредственно к отклоняющей системе. Применение таких так называемых осциллографов с бегущей волной ограничено из-за их сравнительно низкого входного сопротивления (например, для осциллографов «Tektronix 519» Zi = 125 Ом, «Edgerton» Zbx=100 Ом [23]), обусловленного включением согласующего сопротивления в отклоняющей системе. Они могут быть использованы при измерениях коротких импульсов напряжения совместно с омическими делителями напряжения. Емкостные делители требуют согласующего преобразователя, входное сопротивление которого определяется ступенью низкого напряжения делителя, а выходное — волновым сопротивлением отклоняющей системы [4].
