книги из ГПНТБ / Шваб А. Измерения на высоком напряжении. Измерительные приборы и способы измерения

А.ШВАБ

ИЗМЕРЕНИЯ НА ВЫСОКОМ НАПРЯЖЕНИИ

s

А. Ш В А Б

ИЗМЕРЕНИЯ НА ВЫСОКОМ НАПРЯЖЕНИИ

(ИЗМ ЕРИТЕЛЬНЫ Е ПРИБОРЫ

И С П О С О Б Ы ИЗМ ЕРЕНИЯ)

Перевод с немецкого П. С. Богуславского

0 « Э Н Е Р Г И Я » . МОСКВА 1973

ОТ РЕДАКТОРА

Предлагаемая читателю книга написана на основе материала одноименного курса лекций, прочитанного ав­ тором в Институте высоких напряжений при университе­ те г. Карлсруэ. В книге рассмотрены виды высоковольт­ ных измерений высокой точности, получившие в настоя­ щее время распространение в заводской, эксплуатацион­ ной и исследовательской практике. Особое внимание при этом уделено вопросам осциллографирования напряже­ ний и токов, измерения амплитуд напряжения, диэлек­ трических измерений и измерений частичных разрядов, измерений электростатических зарядов, а также спосо­ бам уменьшения погрешностей и помех при измерениях.

Таким образом, книга охватывает все основные во­ просы, рассматриваемые в аналогичных курсах для со­ ветских студентов и аспирантов, специализирующихся по технике высоких напряжений и высоковольтному электроаппаратостроению. Однако содержание книги значи­ тельно выходит за рамки сведений, необходимых студен­ ту. Материал книги А. Шваба, наряду с описанием современной измерительной аппаратуры, применяемой за рубежом, содержит многочисленные практические реко­ мендации, полезные инженерам, непосредственно осуще­ ствляющим высоковольтные измерения в лабораториях электротехнических заводов, энергосистем и научно-ис­ следовательских институтов. Именно этой категории читателей в первую очередь адресована данная книга.

Ее выход в значительной степени восполняет ощути­ мый недостаток литературы по высоковольтным измере­ ниям. Основные пособия по этому вопросу, изданные на русском языке (под ред. Л. И. Сиротинского «Техника высоких напряжений», ч. 1, М. Госэнергоиздат, 1951 и А. А. Воробьев и др. «Высоковольтное испытательное оборудование и измерения», М., Госэнергоиздат, 1960) стали к настоящему времени библиографической редко­ стью и не охватывают некоторые виды широко внедрив­ шихся за последние годы измерений, а в позднее издан­

3

Г л а в а п е р в а я

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ОСЦИЛЛОГРАФИРОВАНИЯ БЫСТРО ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ И БОЛЬШИХ ТОКОВ

Регистрация быстро изменяющихся во времени на­ пряжений 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(і), который в большей или меньшей степени пропор­ ционален измеряемой величине. Этот сигнал по кабелю подводится к электроннолучевому осциллографу. При преобразовании величины, подлежащей измерению, в из­ мерительный сигнал, передаче его по кабелю и при реги­ страции на экране электроннолучевого осциллографа возникают погрешности. В дальнейшем рассматриваются только те погрешности, которые возникают при регистра­ ции уже имеющегося измерительного сигнала. Погреш­ ности, возникающие при преобразовании величины, под­ лежащей измерению, в измерительный сигнал, являются предметом отдельного рассмотрения.

1. ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Вместо ранее применявшихся осциллографов на электроннолучевой трубке с холодным катодом и непо­ средственным входом высокого напряжения до 100 кВ [Л. 1] в современных высоковольтных лабораториях используют только осциллографы на трубках с накали­ ваемым катодом1. Чувствительность таких трубок ко­ леблется от нескольких милливольт до 100 В/см, поэто­ му промежуточное включение делителя напряжения здесь совершенно необходимо.

В настоящее время критерием разрешающей способ­ ности и эксплуатационных свойств электроннолучевых

1 См. также Стекольников И. С. «Импульсная осциллография и ее применение». Изд. АН СССР, 1949. П р и м , р е д.

5

осциллографов является не максимальная скорость за­ писи, а ширина полосы регистрируемых частот. Скорость записи можно согласовать с шириной полосы частот пу­ тем применения более высоких послеускоряющих напря­ жений. Например, электроннолучевой осциллограф «Тектроникс-454» с шириной полосы частот до 150 МГц имеет скорость записи около 2,5 см/нс. Электроннолуче­ вые осциллографы на трубке с накаливаемым катодом не

Рис. 1. Упрощенная блок-схема импульсного

уступают осциллографам .на трубке с холодным катодом и благодаря меньшим габаритам отклоняющей систе­ мы даже превосходят их.

Специальные импульсные осциллографы не имеют усилителей по каналу вертикального отклонения. Их чув­ ствительность на входе зависит от чувствительности электроннолучевой трубки и составляет несколько де­ сятков вольт на сантиметр. Входной сигнал непосредст­

тельностью несколько милливольт на сантиметр), осцил­ лографы для импульсных напряжений малочувствитель­ ны к напряжению помехи, так как разница между полезным и мешающим сигналами здесь сравнительно велика. Точные измерения можно провести и обычными

6

электроннолучевыми осциллографами с высокой чувст­ вительностью на входе, если для подавления помех при­ нять соответствующие меры. В последнее время начат

в значительной степени обеспечивается применением фильтра на входе питаниями кожуха с высокочастотным экраном (например, «Тектроникс-454, модель 163D).

В ТВН быстро изменяющиеся напряжения и токи ча­ ще всего представляют собою однократные импульсы. Их осциллографирование требует управляемого запу­ ска горизонтальной (временной) развертки. В зависимо­ сти от того, запускается ли измеряемый сигнал изнутри электроннолучевого осциллографа генератором горизон­ тальной развертки или на особый входной зажим осцил­ лографа извне поступает сигнал для запуска развертки, пуск последней называют внутренним или внешним *. Отпирающий импульс проходит через усилитель и вклю­ чает генератор горизонтальной развертки, пилообразное напряжение которого усиливается усилителем горизон­ тального отклонения и подается на отклоняющие пла­ стины. С момента поступления измеряемого сигнала до начала развертки проходит промежуток времени поряд­ ка 100 нс, т. е. измеряемый сигнал попадает на верти­ кальные отклоняющие пластины на указанный промежу­ ток времени раньше. Линия задержки или включается в усилитель вертикального отклонения (например, «Тек- троникс-581»), или подключается между усилителем и отклоняющими пластинами (рис. 2).

У специальных импульсных осциллографов без встро­ енной линии задержки замедление и запуск могут произ­ водиться различными способами:

кабель длиной от 20 до 40 м, соединяющий делитель напряжения с электроннолучевым осциллографом, слу­ жит одновременно линией задержки. Запуск производит-1

1 Осциллографы с внешним запуском, предназначенные для автоматической регистрации перенапряжений в условиях эксплуата­ ции энергосистем и обеспечивающие полную автоматизацию процес­ са измерений, описаны в статьях: Гребешков С. С. и др. «Автомати­ ческий регистратор внутренних перенапряжений» ЦИТЭИН, 1961, № 14 и Зихерман М. X., Хоециан К. В. «Автоматический регистратор внутренних перенапряжений». Труды ВНИИЭ, вып, 34. М., «Энер­ гия», 1969. П р и м. р е д.

7

et развертку и создает на выходном зажиме ИмпуЛьС напряжения ~ 700 В. Этот импульс может служить для запуска ГИН. От момента нажатия кнопки до фактиче­ ского включения ГИН проходит время, в течение кото­ рого может быть осуществлен запуск развертки. Этот способ запуска весьма целесообразен, так как длина кабеля, соединяющего делитель напряжения с электрон­ нолучевым осциллографом, здесь не определяется вре­ менем, необходимым для задержки. Это позволяет при­ менить сравнительно ко­ роткие отрезки кабеля, и возникающие в нем по­ грешности передачи по сравнению с остальными погрешностями очень ма­

отклоняющая система электроннолучевой трубки со­ стоит из нескольких электродов, которые электриче­ ски соединены между собой по типу многозвенного фильтра (рис. 3). Параметры этой цепочки выбирают так, чтобы скорость распространения сигнала вдоль от­ клоняющей системы была равна скорости электронов в электронном луче [Л. 15]. При более высоких частотах отклоняющая система в виде цепочки электродов вы­ полняется из двух плоских спиралей с постоянным вол­ новым сопротивлением. Чтобы можно было полностью использовать большую полосу частот этой электронно­ лучевой трубки, ее применяют без предварительного уси­ лителя. Сигнал подводится непосредственно к отклоняю­ щей системе. Применение этого так называемого осцилло­ графа бегущей волны ограничено из-за его низкоомного входного сопротивления (100—125 Ом), обуслов­ ленного неотражающей оконечной нагрузкой, равной волновому сопротивлению отклоняющей системы. Он мо­ жет применяться для измерения импульсов напряжения с крутым фронтом только в соединении с омическими делителями напряжения. Емкостный делитель напряже­ ния требует применения преобразователя полного сопро­ тивления, вход которого согласован с низковольтной частью делителя [Л. 2].

9