При первом включении измерительного устройства для записи импульсов напряжения или тока, состоящего из делителя напряжения или токового шунта, соединительного кабеля и электроннолучевого осциллографа, на экране последнего получают изображение, показанное на рис. 6. В большинстве случаев это изображение не соответствует фактическому изменению по времени исследуемого процесса. На измеряемый сигнал u(t) накладывается напряжение помех, появляющихся на отклоняющей системе электроннолучевого осциллографа.
Рис. 6. Осциллограмма апериодического тока при разряде конденсатора, заряженного до 100 кВ.
В сомнительных случаях посредством двух контрольных измерений можно легко установить, являются ли высокочастотные колебания на осциллограмме действительным измеряемым сигналом или представляют собой помеху. При первом контрольном измерении оболочку коаксиального кабеля соединяют с заземленным зажимом низковольтной части делителя напряжения или низкоомного шунта, а внутреннюю жилу его не подключают, т. е. измерительный кабель со стороны входа работает в режиме холостого хода. При втором контрольном измерении дополнительно соединяют внутреннюю жилу с заземленным зажимом (кабель работает в режиме короткого замыкания). В обоих случаях во время протекания импульсного процесса, подлежащего измерению, на экране электроннолучевой трубки осциллографа не должно возникать никакого отклонения луча.
Причинами возникновения помех являются «подскоки» потенциала и электромагнитные наводки, связанные с быстро изменяющимися напряжениями и токами, в частности, возникающими при заряде или разряде паразитных емкостей [Л. 6—9, 29—31]. На рис. 7,а показана высоковольтная цепь, состоящая из генератора G и испытуемого объекта Р; Zз представляет собой полное сопротивление по отношению к земле.
Рис. 7. Повышение потенциала по отношению к земле в высоковольтной разрядной цепи.
а — для испытательной установки без экранирования; б —для установки, находящейся внутри клетки Фарадея.
От частей установки, находящихся под высоким напряжением, идут силовые линии, замыкающиеся на землю. Эти силовые линии относятся к паразитным емкостям Cs, которые при импульсных процессах заряжаются или разряжаются в короткий промежуток времени. Вследствие очень больших скоростей изменения напряжений зарядные токи могут достигать нескольких тысяч ампер. Зарядный ток 1с проходит по полному сопротивлению заземления Zз и возвращается к зажиму генератора. Вследствие этого даже при малых значениях Zз возникают заметные повышения потенциала, которые являются причиной протекания уравнительных токов в общей заземляющей сети. Если высоковольтная цепь находится внутри клетки Фарадея (рис. 7,б), то все силовые линии заканчиваются на экране. Зарядные токи проходят по внутренней стороне стенки клетки и не могут создавать повышения потенциала на сопротивления Zз. В этом случае особые требования к заземлению снимаются.
Искажения изображения, показанные на рис. 6, могут быть вызваны следующими причинами:
электромагнитные поля проникают через недостаточно экранированный кожух электроннолучевого осциллографа и вызывают наводки в тракте вертикального отклонения.
Эти помехи могут быть ликвидированы, если электроннолучевой осциллограф поместить в экранированное полностью помещение или транспортабельную измерительную кабину (рис. 8), материал и конструкция которой зависят от напряженности поля и частоты (часто достаточно кожуха из листового материала, открытого с одной стороны). Влияние полей рассеяния можно уменьшить, если увеличить расстояние между электроннолучевым осциллографом и импульсной цепью;
в электроннолучевой осциллограф попадают помехи по подводящим проводам, соединенным с питающей сетью (частота помех до 30 МГц).
Рис. 8. Экранированная измерительная кабина.
/ — фильтр для подавления помех, возникающих в проводах сети-, 2 — окно сетчатое для освещения и создания необходимых климатических условий.
Рис. 9. Эффективное затухание широкополосного проходного фильтра «Сименс» типа В85321АВ01, измеренное в линии сопротивлением 60 Ом. 1 — предел измерения.
Эти помехи целесообразней всего подавлять подключением в сетевые провода проходных фильтров для радиопомех. Фильтры состоят из двух емкостных и одного индуктивного элементов, включенных по П-образной схеме. На рис. 9 приведена зависимость эффективного затухания от частоты для широкополосного проходного фильтра (Л. 10]. Чтобы получить широкую полосу при высокой добротности, фильтры помещают в экранирующую коробку, применяемую в сочетании с упомянутыми выше экранирующими устройствами.
Иногда бывает достаточно на мотки сетевого подводящего провода на ферритовый сердечник или надевания на него гибкого томпакового шланга, который надежно соединяют с экранирующей коробкой или с кожухом электроннолучевого осциллографа;
благодаря многократному заземлению в испытательном устройстве возникает возможность растекания по оболочке кабеля тока, который создается напряжением помехи Uп в измерительной цепи через сопротивление связи Rсв.
Рис. 10. К определению сопротивления связи Rсв коаксиального кабеля [Л. 28].
Рис. 11. Схема установки для измерения импульсных напряжений с многократно экранированным соединительным кабелем [Л. 23]. 1— делитель напряжения; 2 — трехкратно экранированный коаксиальный кабель. 3 — наружный экран; 4 — внутренний экран; 5 — нагрузочное сопротивление, равное волновому сопротивлению коаксиального кабеля; 6 — электроннолучевой осциллограф.
Когда по оболочке или экрану кабеля протекает ток помехи, вызванный внешним источником напряжения, то на внутренней поверхности оболочки возникает падение напряжения,
которое проявляется в виде напряжения помехи в жилах кабеля [Л. 28.] Если предположить, что длина кабеля I меньше λ/4, то сопротивление связи согласно рис. 10 определится из выражения
Чем меньше сопротивление связи коаксиального кабеля, тем лучше его экранирующее действие и тем меньше возникающие в нем напряжения помех. Иногда для уменьшения сопротивления связи применяют двойное или тройное экранирование жил (рис. 11) или гибкий гофрированный кабель, наружная жила которого состоит из гофрированной бесшовно сваренной металлической оболочки [Л. 23].
Рис. 12. Цепь заземления измерительного устройства для осциллографирования импульсных напряжений.
1— ГИН; 2 — делитель напряжения; 3 — коаксиальный кабель; 4— цепь заземления; 5 — электроннолучевой осциллограф.
Токи, протекающие по оболочке кабеля, создают падения напряжения также и на переходных сопротивлениях у разъемных коаксиальных штыревых соединений, что способствует возникновению дополнительного напряжения помех [Л. 28]. Этим, в частности, объясняется чувствительность к помехам электроннолучевых осциллографов, выполненных по блочной системе.
Даже когда (учитывая эффект возникновения тока в оболочке кабеля) электроннолучевой осциллограф не заземляют, нельзя избежать высокочастотных помех. Цепь заземления для высоких частот замыкается в этом случае через паразитную емкость электроннолучевого осциллографа по отношению к земле (рис. 12). Возможность появления токов в оболочке кабеля и напряжения помех можно практически исключить путем расчленения цепей тока помех. Гальванический разрыв оболочки кабеля принципиально невозможен, так как из-за этого она утрачивает свое свойство соединительного провода с постоянным волновым сопротивлением. Можно, однако, запереть оболочку кабеля для токов высокой частоты посредством дроссельного фильтра. Для этой цели часть кабеля наматывают на сердечник из магнитномягкого материала, благодаря чему увеличивается его индуктивность. Такое решение применено, например, в выносном пробнике на 40 кВ осциллографа «Тектроникс-549». Значение индуктивности, как известно, пропорционально квадрату числа витков. Увеличение индуктивности может быть достигнуто также путем нанизывания на кабель кольцевых сердечников из магнитномягкого материала, как и в бусинках затухания для УКВ. В обоих случаях включение дроссельного фильтра не влияет на полезный сигнал. Кабель должен иметь внешнюю оболочку из изоляционного материала, тогда отдельные витки не закорачиваются и емкость витков, присоединенная параллельно индуктивности, получается небольшой. При больших длинах кабеля распределение напряжений и токов в его оболочке на отдельных участках разное. В этих случаях подключенный в одном месте дроссель не осуществляет широкополосного запирания. Для определенных частот положение узла тока может совпасть с местом подключения дросселя. Поэтому для токов, длина волны которых меньше длины измерительного кабеля, нужно, чтобы индуктивность запирающего дросселя была распределена по длине кабеля [Л. 11].
Увеличение последовательного полного сопротивления равнозначно увеличению параллельной проводимости. Последнего можно достичь электрическим соединением оболочки кабеля с обратным заземляющим проводом, распределенным на большой длине кабеля; правда технически это не всегда возможно.
Весьма целесообразна закладка измерительного кабеля в стальную бронированную трубу, уложенную в пол и соединенную с заземляющей сеткой на большой поверхности.
Вопрос о том, каким путем помеха поступает на вертикальные отклоняющие пластины, может быть выяснен подключением сигнала через входной аттенюатор электроннолучевого осциллографа. Если напряжение помех уменьшается с изменением положения рукоятки входного аттенюатора, то его следует отнести за счет токов в оболочке кабеля. Если же величина накладывающегося напряжения помех не зависит от положения рукоятки входного аттенюатора, то оно поступает на пластины вертикального отклонения не через входные зажимы, а через несовершенно экранированный кожух или — при сравнительно низких частотах (≤30 МГц) — через сетевой шнур. Так как все экранирующие устройства обладают конечным затуханием, а фильтрация посредством дросселя с сердечником из магнитномягкого материала из-за насыщения последнего эффективна не для любых величин токов, то на практике одновременно применяют несколько описанных выше способов защиты от помех.
Импульсные установки для типовых и контрольномассовых испытаний силового электрооборудования имеют не только коаксиальные измерительные кабели от делителя напряжения к электроннолучевому осциллографу, но и большое число проводов для управляющих и измерительных цепей между установкой и командным пультом с измерительным устройством. Здесь особенно велика опасность возникновения случайных и произвольных заземляющих контуров. На рис. 13,б показано соединение узлов импульсной установки, при котором будут наблюдаться неконтролируемые повышения потенциала и неудовлетворительные результаты измерений. На рис. 13,а показана та же установка, но выполненная правильно. Монтаж в этом случае не содержит никаких контуров (только ответвления)*.
Рис. 13. Схематическое изображение устройства для испытания импульсным напряжением.
а—рациональная прокладка проводов управляющих и измерительных щелей (ответвления); б — неправильная прокладка проводов управляющих· и измерительных цепей с образованием контуров; 1— прибор для измерения импульсных напряжений; 2—командный пульт; 3 — высоковольтный выпрямитель; 4 — шаровой разрядник; 5 — потенциометр; 6 — генератор импульсного напряжения; 7 —испытуемый объект.
Если внешние факторы и условия оказываются настолько неблагоприятными, что все описанные способы подавления напряжения помех не обеспечивают точных измерений (до сих пор такие случаи автору неизвестны), то представляется возможным полностью ликвидировать гальваническую связь рабочих и измерительных цепей, используя светопровод, и передачу сигнала производить оптико-электрическим способом, рассматриваемым далее.
1 Значительные помехи осциллографированию, в частности вызванные «подскоком» потенциала заземлителя, возникают при измерениях в полевых условиях. Рекомендуемые в этом случае схемы и метод оценки точности измерения даны в статьях: Гальперина М. О., Рашкес В. С. «Об оценке погрешности измерения внутренних перенапряжений при полевых испытаниях». Труды ВНИИЭ, вып. 34. М., «Энергия», 1969 и Зихерман Μ. X., Рашкес В. С. «О методике измерения внутренних перенапряжений при осциллографировании в полевых условиях». Труды ВНИИЭ, вып. 39. М., «Энергия», 1971. Прим. ред.
