Глава первая
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ОСЦИЛЛОГРАФИРОВАНИЯ БЫСТРО ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ И БОЛЬШИХ ТОКОВ
Регистрация быстро изменяющихся во времени напряжений и токов в технике высоких напряжений (ТВН) связана с особыми трудностями. Максимальные значения напряжений и токов здесь могут достигать миллионов вольт и сотен тысяч ампер, поэтому их непосредственное измерение невозможно. Обычно от делителя напряжения или низкоомного измерительного шунта получают сигнал и(t), который в большей или меньшей степени пропорционален измеряемой величине. Этот сигнал по кабелю подводится к электроннолучевому осциллографу. При преобразовании величины, подлежащей измерению, в измерительный сигнал, передаче его по кабелю и при регистрации на экране электроннолучевого осциллографа возникают погрешности. В дальнейшем рассматриваются только те погрешности, которые возникают при регистрации уже имеющегося измерительного сигнала. Погрешности, возникающие при преобразовании величины, подлежащей измерению, в измерительный сигнал, являются предметом отдельного рассмотрения.
1. ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ
Вместо ранее применявшихся осциллографов на электроннолучевой трубке с холодным катодом и непосредственным входом высокого напряжения до 100 кВ [Л. 1] в современных высоковольтных лабораториях используют только осциллографы на трубках с накаливаемым катодом *. Чувствительность таких трубок колеблется от нескольких милливольт до 100 В/см, поэтому промежуточное включение делителя напряжения здесь совершенно необходимо.
*См. также Стекольников И. С. «Импульсная осциллография и ее применение». Изд. АН СССР, 1949. Прим. ред.
В настоящее время критерием разрешающей способности и эксплуатационных свойств электроннолучевых осциллографов является не максимальная скорость записи, а ширина полосы регистрируемых частот. Скорость записи можно согласовать с шириной полосы частот путем применения более высоких после ускоряющих напряжений. Например, электроннолучевой осциллограф «Тектроникс-454» с шириной полосы частот до 150 МГц имеет скорость записи около 2,5 см/нс.
Рис. 1. Упрощенная блок-схема импульсного электроннолучевого осциллографа «Тектроникс-507».
1 — входные зажимы; 2 — спусковой усилитель; 3— генератор пилообразного напряжения; 4 — подключаемая снаружи линия задержки.
Электроннолучевые осциллографы на трубке с накаливаемым катодом не уступают осциллографам на трубке с холодным катодом и благодаря меньшим габаритам отклоняющей системы даже превосходят их.
Специальные импульсные осциллографы не имеют усилителей по каналу вертикального отклонения. Их чувствительность на входе зависит от чувствительности электроннолучевой трубки и составляет несколько десятков вольт на сантиметр. Входной сигнал непосредственно с входных зажимов осциллографа попадает на отклоняющие пластины (иногда через аттенюатор) (рис. 1). В противоположность осциллографам, применяемым в технике связи и высоких частот (с чувствительностью несколько милливольт на сантиметр), осциллографы для импульсных напряжений малочувствительны к напряжению помехи, так как разница между полезным и мешающим сигналами здесь сравнительно велика. Точные измерения можно провести и обычными электроннолучевыми осциллографами с высокой чувствительностью на входе, если для подавления помех принять соответствующие меры. В последнее время начат выпуск электроннолучевых осциллографов с чувствительностью около 1 мВ/см в защищенном от помех исполнении. У этих осциллографов защита от помех в значительной степени обеспечивается применением фильтра на входе питания и кожуха с высокочастотным экраном (например, «Тектроникс-454, модель. 163D).
В ТВН быстро изменяющиеся напряжения и токи чаще всего представляют собою однократные импульсы. Их осциллографирование требует управляемого запуска горизонтальной (временной) развертки. В зависимости от того, запускается ли измеряемый сигнал изнутри электроннолучевого осциллографа генератором горизонтальной развертки или на особый входной зажим осциллографа извне поступает сигнал для запуска развертки, пуск последней называют внутренним или внешним. Отпирающий импульс проходит через усилитель и включает генератор горизонтальной развертки, пилообразное напряжение которого усиливается усилителем горизонтального отклонения и подается на отклоняющие пластины. С момента поступления измеряемого сигнала до начала развертки проходит промежуток времени порядка 100 нс, т. е. измеряемый сигнал попадает на вертикальные отклоняющие пластины на указанный промежуток времени раньше. Линия задержки или включается в усилитель вертикального отклонения (например, «Тектроникс-581»), или подключается между усилителем и отклоняющими пластинами (рис. 2).
У специальных импульсных осциллографов без встроенной линии задержки замедление и запуск могут производиться различными способами:
кабель длиной от 20 до 40 м, соединяющий делитель напряжения с электроннолучевым осциллографом, служит одновременно линией задержки.
1 Осциллографы с внешним запуском, предназначенные для автоматической регистрации перенапряжений в условиях эксплуатации энергосистем и обеспечивающие полную автоматизацию процесса измерений, описаны в статьях: Гребешков С. С. и др. «Автоматический регистратор внутренних перенапряжений» ЦИТЭИН, 1961, № 14 и Зихерман Μ. X., Хоециан К. В. «Автоматический регистратор внутренних перенапряжений». Труды ВНИИЭ, вып. 34. М., «Энергия», 1969. П р и м. ред.
Запуск производится практически безынерционно от антенны, напряжение с которой подается на входные зажимы для внешнего запуска;
сигнал поступает на электроннолучевой осциллограф по кабелю нормальной длины. Задержка осуществляется путем подключения коаксиального кабеля, длина которого согласована с необходимым временем задержки. Небольшая часть энергии сигнала питает высокоомный вход спускового усилителя, с каскада формирования импульсов которого отбирается управляющий импульс, запускающий генератор пилообразного напряжения;
генератор импульсов напряжения или тока (ГИН или ГИТ) выполняется управляемым. Для этого необходимо электронное управляющее устройство, которое выдает команду, состоящую по меньшей мере из двух импульсов напряжения, с регулируемым промежутком времени между ними. Первый импульс напряжения служит для запуска развертки электроннолучевого осциллографа, а второй запускает ГИН или ГИТ. Это устройство иногда выдает еще третий, сдвинутый по времени, импульс напряжения, используемый для поджига срезающего искрового промежутка.
Если необходим запуск только ГИН либо ГИТ, а в срезающем искровом промежутке нет необходимости, можно в некоторых случаях отказаться от специального управляющего аппарата.
Рис. 2. Упрощенная блок-схема электроннолучевого осциллографа "Тектроникс-541".
1— предварительный усилитель; 2 — усилитель вертикального отклонения; 3 — линия задержки; 4 — спусковой усилитель; 5 — генератор пилообразного напряжения; 6 — усилитель горизонтального отклонения.
Например, импульсный осциллограф «Тектроникс-507» имеет встроенный генератор импульсов, который при нажатии кнопки запускает развертку и создает на выходном зажиме импульс напряжения ~ 700 В. Этот импульс может служить для запуска ГИН. От момента нажатия кнопки до фактического включения ГИН проходит время, в течение которого может быть осуществлен запуск развертки. Этот способ запуска весьма целесообразен, так как длина кабеля, соединяющего делитель напряжения с электроннолучевым осциллографом, здесь не определяется временем, необходимым для задержки. Это позволяет применить сравнительно короткие отрезки кабеля, и возникающие в нем погрешности передачи по сравнению с остальными погрешностями очень малы, так что ими можно пренебречь.
Рис. 3. Электроннолучевая трубка осциллографа «Тектроникс-581».
— нагрузочное сопротивление цепочки электродов (волновое сопротивление).
Для экстремальных значений частот (100— 2 000 МГц) вертикальная отклоняющая система электроннолучевой трубки состоит из нескольких электродов, которые электрически соединены между собой по типу многозвенного фильтра (рис. 3). Параметры этой цепочки выбирают так, чтобы скорость распространения сигнала вдоль отклоняющей системы была равна скорости электронов в электронном луче [Л. 15]. При более высоких частотах отклоняющая система в виде цепочки электродов выполняется из двух плоских спиралей с постоянным волновым сопротивлением. Чтобы можно было полностью использовать большую полосу частот этой электроннолучевой трубки, ее применяют без предварительного усилителя. Сигнал подводится непосредственно к отклоняющей системе. Применение этого так называемого осциллографа бегущей волны ограничено из-за его низкоомного входного сопротивления (100—125 Ом), обусловленного неотражающей оконечной нагрузкой, равной волновому сопротивлению отклоняющей системы. Он может применяться для измерения импульсов напряжения с крутым фронтом только в соединении с омическими делителями напряжения. Емкостный делитель напряжения требует применения преобразователя полного сопротивления, вход которого согласован с низковольтной частью делителя [Л. 2].
