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

не создает нагрузки, так как его входное сопротивление велико по сравнению с сопротивлением шунта. Значения параметров его отдельных элементов могут быть найдены для определенных геометрических размеров шунта, одна­ ко из-за наличия допусков и неидеальных свойств в диа-

Рис. 130. Переходная функция со­ ставного коаксиального токового шунта с многополюсником для устра­ нения искажений в процессе на­ ладки.

пазоне наносекунд во всех случаях производят экспери­ ментальную подгонку испытательным током известной формы. Получив переходную функцию, например изобра­ женную на рис. 130,а, путем соответствующего выбора значения L/R прежде всего ликвидируют выброс с боль­ шой амплитудой. Благодаря этому получается улучшен­ ное воспроизведение, как это видно из рис. 130,6. На асимптотическое приближение измеряемого напряже­ ния к конечному значению можно повлиять желаемым образом при помощи ^С-цепочек (рис. 130,в). Число

150

і?С-цепочек зависит от требуемого качества воспроизве­ дения. При правильном выборе размеров шунта чаще всего достаточно трех /?С-цепочек. Кроме того, одним или двумя дополнительными RC-цепочками можно компенси­ ровать аналогичным образом искажение импульса, выз­ ванное эффектом вихревых токов при длинном соедини­ тельном кабеле к электроннолучевому осциллографу. Целесообразно (но не обязательно), чтобы сумма сопро-

Рис. 131. Структура сложного многополюсника для устранения искажений у составного коаксиального то­ кового шунта.

тивлений Ri—Rn была равна волновому сопротивлению Z соединительного кабеля к электроннолучевому осцилло­ графу. Кабель у осциллографа всегда замкнут на волно­ вое сопротивление. При выборе отдельных элементов, их взаимного расположения и электрического соединения для компенсационного четырехполюсника следует учиты­ вать обычные рекомендации, применяемые для диапазо­ на наносекунд.

Исходя из заданного в комплексной аналитической форме сопротивления связи составного коаксиального шунта [Л. 270], нужно прежде всего произвести аппрок­ симацию посредством ломаной рациональной функции. Ее инверсный коэффициент передачи может быть полу­ чен при помощи синтеза многополюсника. На рис. 131 показана структура компенсационного четырехполюсни­ ка, который выполнен при помощи способа синтеза, опи­ санного в {Л. 53]. Подгонка параметров многополюсника из-за большого числа элементов довольно затруднитель­

151

на, но при этом измерительное устройство имеет теоре­ тически бесконечно большую ширину полосы частот или собственное время нарастания ^а = 0. Практически дости­ жимый верхний предел частот ограничивается примерно 100 МГц из-за неидеальных свойств элементов многопо­

цели пригодна одноступенчатая импульсная схема со срав­ нительно небольшим числом элементов (рис. 132). Изо­ браженный более жирными линиями собственно разряд­ ный контур должен иметь по возможности малую индук­ тивность; лучше всего выполнить его коаксиальным. Для импульсной емкости С пригодны малоиндуктивные высо­ ковольтные импульсные конденсаторы с собственными индуктивностями от 10 до 100 нГ, которые нашли приме­ нение при исследованиях физики плазмы [Л. 289, 290, 432]. Сопротивление Де должно быть выбрано столь боль­ шим, чтобы ток при пробое искрового промежутка уста­ навливался без колебаний. С обычными искровыми про­ межутками (при атмосферном давлении воздуха) полу­ чают времена нарастания от 6 до 8 нс. Многократные искровые промежутки и в инертном газе позволяют получать еще меньшие времена нарастания. Чтобы вос­ препятствовать распространению по проводам напряже­ ний помех, в подводящие к трансформатору провода встраивают проходной фильтр. Схему заземляют только

в одном месте, а именно у шунта Ям, который соединен

сэкраном кабеля, подключенного к электроннолучевому осциллографу. В отношении подавления других помех, возникающих при измерении, следует руководствоваться

152

приведенными выше рекомендациями. Если заменить малоиндуктивную импульсную емкость С длинным коак­ сиальным кабелем, то схема дает импульсы тока прибли­ зительно прямоугольной формы. Получающийся при этом небольшой спад кривой тока нельзя полностью исклю­ чить из-за затухания в кабеле [Л. 279]. Практическое выполнение коаксиальных токовых шунтов трубчатой и

рис. 133. Большая ширина полосы частот у обеих конст­ рукций (свыше 100 МГц) дает возможность использовать все достоинства коаксиального соединения.

В приведенных до сих пор рассуждениях предпола­ галось, что измерительное сопротивление может рассмат­ риваться как линейный элемент. Однако, строго говоря, измерительные сопротивления нелинейны, так как с уве­ личением силы тока и обусловленного этим нагрева изме­ няется удельное сопротивление материала. Соответству­ ющим выбором материала с малым температурным ко­ эффициентом можно обеспечить пренебрежимо малую нелинейность. В табл. 1 даны характеристики материалов, используемых для изготовления шунтов.

- Мерой вытеснения тока при определенной частоте яв­ ляется его глубина проникновения б, равная

где / — частота; р, и р0— относительная магнитная про­ ницаемость проводника и магнитная проницаемость ва­ куума; к — удельная электропроводность, проводника.

Значение б для круглого проводника представляет собой толщину воображаемого проводящего слоя под

153

276]. Ее. принцип действия может быть объяснен из закона полного тока

§ Bds — pl.

с

Линейный интеграл магнитной индукции берется по замкнутой кривой С, которая может проходить любым образом.

• Если представить себе, что по кривой С длиной I, охватывающей проводник с током, намотана катушка с числом витков п, с одинаковым шагом AI и площадью сечения катушки s, то при изменении магнитного поля dB/di в катушке индуктируется напряжение

ѵ=і

где ß, — составляющая магнитного поля в ѵ-том витке,

перпендикулярная к поверхности этого витка. Для доста­ точно малых значений AI интеграл по замкнутому конту­ ру можно приближенно заменить суммой

ѵ =1

Из этих двух уравнений получим выражение для ин­ дуктированного напряжения:

155

по замкнутому контуру, в пределах требуемой точности из­ мерений, можно было заменить суммой. При выводе выра­ жения для индуктированного напряжения предполагалось,, что поверхности отдельных витков ориентированы пер­ пендикулярно к кривой С. Однако в действительности это не так вследствие конечного, не равного нулю, шага витков и соответствующего наклонного положения про­ водников. Поэтому катушки Роговского выполняют

Рис. 135. Катушка Роговского.

с перекрещивающейся обмоткой, и тогда составляющие магнитного поля проводников, расположенные не парал­ лельно AI, взаимно компенсируются. Одна из возможных конструктивных форм катушки Роговского показана на

рис. 135.

Как уже ранее упоминалось, получающиеся на кон­ цах катушки Роговского сигналы напряжения Ui(t) про­

ной обратной связи обладают лучшими интегрирующими свойствами [Л. 259]. Здесь мы ограничимся рассмотрени­ ем только пассивных схем, которые могут быть выполне­ ны в короткий срок и наиболее просты.

Для электрического интегрирования при помощи LRцепи на входе измерительной схемы включается сопро­ тивление R, величина которого должна быть меньше вол­ нового сопротивления измерительного кабеля (рис. 136). Выходные концы катушки Роговского (рис. 134) включа-

156

ют на сопротивление R. В качестве интегрирующей ин­

Индуктивность катушки Роговского может быть при­ ближенно вычислена, однако целесообразней определить ее экспериментально, для чего необходимо подключить параллельно измерительной катушке известную емкость и вычислить индуктивность катушки по измеренной круго­

ную на рис. 137. Она имеет верхнюю предельную часто­ ту, обусловленную нагрузкой катушки конечным волно­ вым сопротивлением Z, и нижнюю предельную частоту, прй которой интегрирующий элемент еще имеет интегри­ рующие свойства. Для нижней предельной частоты спра­ ведливо неравенство

а для верхней предельной частоты — «вL<^Z.

Если выполняются приведенные выше неравенства, получим:

им (0 = 'Т^с J Ui® dt~ ~ W W-

157

В интегрирующей схеме с ^С-цепыо активное сопро­ тивление измерительной катушки пренебрежимо мало но сравнению с волновым сопротивлением Z.

Теоретически погрешности, получающиеся в схемах интегрирования, можно иметь сколь угодно малыми, по­ скольку может быть принято любое уменьшение изме­ ряемого сигнала. Однако практически повышение точно­ сти ограничивается амплитудой подынтегральной функ­

ции и возможной максималь­

заны с быстро изменяющимися электрическими полями. Чтобы избежать нежелательных емкостных связей, изме­ рительные катушки экранируют. Экран должен быть выполнен с прорезями, чтобы не возникали короткозамк­ нутые витки. В качестве соединительного кабеля исполь­ зуют коаксиальный кабель с двойным или тройным экраном, наружная оболочка которого припаивается к экрану измерительной катушки (рис. 138). Экран дол­ жен быть по всей длине кабеля электрически изолирован отизмерительной цепи, чтобы избежать образования контуров по отношению к земле и возникновения токов в оболочке кабеля. Заземление должно осуществляться только у электроннолучевого осциллографа. Подробные сведения -о том, как избежать напряжений помех при измерении быстро изменяющихся токов в специальных импульсных установках, можно найти в [Л. 25 и 265].

•Отсутствие электрического соединения между измери­ тельным контуром и цепью измеряемого тока, будучи большим достоинством катушки Роговского, не дает воз­ можности последней воспроизводить постоянную состав­ ляющую тока, что является недостатком (не очень, од­ нако, существенным).

При тщательном выполнении измерительной катушки и правильном выборе параметров элементов схемы мож­ но получить точность измерений порядка 5%. Если в ка­

158

честве интегрирующего звена используется усилитель с отрицательной обратной связью, сигнал на его выходе до верхнего предела частот порядка 10 кГц пропорцио­ нален измеряемому току с точностью ±0,4%. Верхний предел частот может быть расширен до мегагерц, если повышать собственную резонансную частоту измеритель­ ной катушки выбором соответствующей конструкции. При изготовлении катушек Роговского для очень высоких частот необходимо учитывать явление вытеснения тока,

дечником для измерения токов остаточной проводимости у силовых выключателей показано на рис. 139. Трудность измерения токов остаточной проводимости заключается в том, что они протекают после токов короткого замыка­ ния, амплитуда которых больше амплитуды остаточного тока в ІО5 раз. При правильном выборе размеров приме­ няемого кольцевого сердечника, выполненного из мате­ риала с высокой магнитной проницаемостью, предельно возможный ток остаточной проводимости намагничивает его до насыщения. Поэтому во много раз большее мгно­ венное значение тока короткого замыкания не может вызвать значительного увеличения магнитного потока. Благодаря этому свойству измерительное устройство на­ зывают насыщающимся измерительным трансформато­ ром тока. Получающееся после интегрирующего элемен­ та напряжение uM(t) в течение периода тока остаточной проводимости в большей или меньшей степени пропор­ ционально изменению тока по времени, но во время про-

159