5.2. Источники помех при измерениях

Основным источником излучаемых радиопомех в измерительных устройствах при проведении высоковольтных опытов в зале является разрядный контур испытательной установки. В настоящее время измерительные устройства имеют автономное питание, а электронно-лучевые трубки заменяются помехоустойчивыми цифровыми плазменными или жидкокристаллическими экранами, каналы прохождения помех по проводам электропитания приборов исключены. Если опыты ответственны, параллельную работу нескольких установок, создающих взаимные помехи, следует исключить.

Источником радиопомех также являются частичные разряды в источниках высокого напряжения, а также коронирование высоковольтных источников. Могут коронировать испытуемый объект и соединительные провода на стороне высокого напряжения. Устранить корону при напряжении выше 10⁶ В невозможно. При работе ГИН возникает импульсная корона. Спектр частот радиопомех от короны широк, хотя их уровень по сравнению с другими видами излучения относительно невелик.

Испытательные установки высокого напряжения и схемы, подготовленные для испытаний, имеют большие размеры и сочетают в себе различные комбинации протяженных и сосредоточенных элементов, образующих большое число колебательных контуров. При резком изменении напряжения на одном или нескольких контурах (например, срез испытательного импульса и др.) них возбуждаются собственные колебания с частотой от 0,1 до 10 МГц. Амплитуда токов колебаний может достигать десятки килоампер, поэтому контуры представляют мощные источники радиоизлучений.

Еще одним источником радиоизлучения являются любые короткозамкнутые контуры (металлические конструкции и др.) в которых за счет взаимоиндукции с основным разрядным контуром наводятся индуцированные токи, которые сами становятся источниками излучения.

Основной защитой от радиопомех является экранирование всего измерительного тракта: применение коаксиальных измерительных кабелей с хорошо проводящей одинарной или двойной оплеткой, экранирование устройств, к которым присоединяются кабели, применение экранированных измерительных кабин. Радиопомехи легко обнаруживаются в экспериментах с полностью собранной измерительной схемой при отключенных кабелях к измерительным датчикам (делители напряжения, шунты). Из экспериментов при разомкнутом и замкнутом входе измерительного кабеля можно сделать вывод не только о факте наличия радиопомех, но и о предполагаемом их источнике, внося дополнительную защиту в измерительные цепи.

Одним из источников помех при измерениях являются импульсные токи в заземленных оболочках измерительных кабелей при пробоях испытуемого объекта. За счет падения напряжения на оболочках кабелей в измерительной цепи оказывается включенным последовательно дополнительный источник э.д.с. с малым внутренним сопротивлением. Этот источник с переменной э.д.с. до нескольких киловольт вызывает искажение измеряемого сигнала или может повредить вход измерительного устройства. Поэтому входы измерительных устройств защищают разрядниками или ОПН.

Токи в системе заземляющих проводов вблизи источника высокого напряжения являются неизбежными. Они возникают в результате разряда емкостей отдельных элементов разрядного контура относительно заземленных предметов во время быстрых изменений напряжения в испытательной схеме. Оценка токов в заземляющем проводнике может быть проведена с использованием одноконтурной схемы замещения, в которой паразитные емкости объединяются в одну сосредоточенную емкость 100–400 пФ, разряжающуюся через индуктивность 10-50 мкГн, и активное сопротивление 100-20 Ом. Первые цифры относятся к лабораториям, не имеющим экрана, и к открытым площадкам, последние – к полностью экранированным лабораториям. В самых неблагоприятных условиях даже при тщательном выполнении разрядного контура токи в заземляющем проводе могут достигать 2,5 кА/МВ в частично экранированных лабораториях и до 7 кА/МВ в полностью экранированных (рис. 5.1).

Рисунок 5.1. Схема измерения тока на землю.

1-экран; 2 - срезающий разрядник; С₃ - емкости участков разрядного контура

относительно земли.

Заземления измерительной части схемы в нескольких местах, например, у испытуемого объекта при регистрации через него тока шунтом, у делителя напряжения и у осциллографа создает контуры, в которые входит оболочка кабеля. В этих контурах, а также из-за емкостных связей оболочки кабеля с участками системы заземления по оболочке протекают наведенные токи. Поскольку измерительные кабели выполняются с оплеткой из тонких проводов, и поле частично проникает через оболочку, в измерительную цепь вносится создающий погрешность сигнал, равный произведению плотности тока на внутренней поверхности оболочки кабеля на активное сопротивление слоя оболочки, пропорциональное длине кабеля. Кроме того, в контурах, образованных измерительными кабелями, возникают колебательные токи, индуктированные главным разрядным контуром. На рис. 5.2 условно изображены измерительные цепи при регистрации двух параметров: напряжения (делитель ) и тока (шунт ), протекающего через исследуемый объект при разряде ГИН.

Измерительная часть состоит из осциллографа 5, помещенного в кабине 4. Измерительные кабели 3 прокладывают в трубах или кабельных каналах, а объект и делитель напряжения соединяют проводами большого сечения по кратчайшим путям с контуром заземления 2, связанным с экраном зала 1. Измерительные устройства имеют экраны 6. В такой измерительной цепи можно указатьтри контура, в которых возможно индуктирование токов, протекающих по оболочкам кабелей. Они указаны на этом рисунке - это контуры наведенных токов , , в которых индуктируются э.д.с., равные скорости изменения магнитного потока, пронизывающего площади, образованные этими контурами. Уменьшая площади контуров можно существенно уменьшить эти э.д.с. Полную компенсацию магнитного потока не осуществить, так как помимо основной гармоники существует целый набор частот разрядных и паразитных токов, создающих в разных точках пространства различные значения напряженности магнитного поля.

Рисунок 5.2. Типичная схема измерений в лаборатории высокого напряжения.

Определим форму дополнительного сигнала, попадающего на измерительный прибор вследствие протекания по оболочке измерительного кабеля индуктированного тока. Рассмотрим простейший случай: разрядный ток имеет треугольную форму с фронтом и спадом , при этом в измерительной цепи индуктируется э.д.с. только от разрядного тока. Величина оценивается по известным выражениям как э.д.с., наводимая в контуре площадью от уединенного провода с током , удаленного от площади , на расстояние :

(5.1)

Приняв на фронте A/c, м², 5 м, получим значение = 4000 В, действующую на измерительную схему в течение длительноcти фронта. При спаде тока меняет знак и имеет меньшее значение, так как длительность >> . Контур, в котором наводится эта э.д.с., в первом приближении состоит из индуктивности и активного сопротивления R. Длина измерительного кабеля обычно составляет десятки метров, поэтому индуктивность достигает нескольких десятков микрогенри. Сопротивление R состоит из сопротивления оболочки кабеля и сопротивления заземления между точками соединения оболочки кабеля с заземлением и составляет несколько мОм.

Постоянная времени контура имеет порядок 10^–3 с, и при =10^–6 с, 10^-4с можно принять следующую зависимость тока, протекающего по оболочке кабеля, от времени:

(5.2)

При наших оценках ток при треугольной форме имеет максимальное значение до 200 А.

Ток, протекающий по оболочке кабеля, вносит в измерения погрешность, величина которой пропорциональна амплитуде тока и глубине проникновения тока в направлении внутренней поверхности внешней оболочки коаксиального кабеля (скин-эффект). При наличии автономного питания осциллографа можно создать измерительную схему так, чтобы разорвать указанный контур наведенного тока, а именно: кабель у осциллографа не заземлять. Можно также исключить контуры токов и , вводя и выводя кабели через металлический пол через изоляционные втулки. Выше было показано, что э.д.с., наводимая в этих контурах – несколько киловольт. Защита оператора основывается на дистанционном управлении осциллографами или их размещение вместе с оператором в изолированной клетке Фарадея.

И так, погрешности измерения во многом зависят от электромагнитной совместимости контуров генерирования и измерительных устройств.