§2.2. Измерительные разрядники

Из теории газового разряда следует, что в атмосферном воздухе промежуток между двумя электродами теряет свои изоляционные свойства в определенных условиях при хорошо воспроизводимом значении разрядного напряжения. Если использовать этот эффект для целей измерения напряжения, то очевиден его существенный недостаток: невозможно непрерывно измерять напряжение, а только в момент пробоя, соответствующий КЗ источника, поэтому можно только установить, как велико было напряжение к этому моменту.

Условия, при которых достигается хорошая и достаточно точная воспроизводимость разряда, определяются в первую очередь конфигурацией электродов и их пригодностью для измерений определенного вида напряжения. Из теории газового разряда следует, что стримерный разряд наступает при давлениях воздуха с его обычными атмосферными колебаниями лишь в однородном или квазиоднородном поле. Этот вид разряда обладает малым временем формирования канала, а стримерному критерию пробоя соответствует строго определенная напряженность поля. Если еще позаботиться о том, чтобы разброс статистического времени был мал, то промежутки с однородным и квазиоднородным полями будут пробиваться за очень небольшое время при достижении напряжением максимального значения. Таким промежутком является, например, промежуток между сферическими электродами, если расстояние между ними гораздо меньше диаметра шаров. Шаровые разрядники, называемые также измерительными разрядниками, используются очень широко для измерений максимального значения напряжения. Этот вид измерительных разрядников являются очень надежными приборами для измерений постоянного напряжения, а также максимального значения переменного, импульсного, в том числе грозового полного и срезанного, напряжений.

На величину напряжения пробоя влияют напряженность поля Е(х) и ее изменение вдоль кратчайшей силовой линии, а также физические характеристики газа, от которых зависит электрическая прочность газа. Напряженность Е_d, при которой происходит пробой, зависит прежде всего от геометрии размеров и расположения сферических электродов и металлических элементов, необходимых для их механического крепления. Два измерительных шара могут быть установлены по вертикальной или горизонтальной оси. Шаровой разрядник не является измерительным прибором с указателем. Он позволяет лишь установить, что измеряемое напряжение в момент пробоя достигает заранее известного значения.

§2.3. Делители для измерений высоких постоянных, переменных и импульсных напряжений

В конструкции делителей напряжения общим является размещение рабочих элементов в цилиндре из качественного изоляционного материала сравнительно небольшого диаметра. Часто используемое заполнение цилиндра маслом обеспечивает изоляцию между элементами, теплоотвод и устраняет разряды по поверхности элементов, которые возникают на стороне высокого потенциала при большой напряженности поля.

Масло частично можно заменить газом с высокой электрической прочностью, например элегазом под давлением. При воздушной изоляции входной электрод высокого напряжения делителя, как правило, должен быть выполнен так, чтобы на нем не было частичных разрядов (ЧР). Общая высота делителя определяется необходимой внешней изоляцией, т. е. электрической прочностью окружающего делитель воздуха. Хотя эту высоту можно существенно уменьшить за счет оптимизации формы и размеров электродов, все же средние напряженности выбираются не очень высокими, чтобы учесть специфические изоляционные проблемы, известные из теории разрядов в газах при различных видах воздействующего напряжения (зарядка поверхности изоляции при постоянном напряжении, особенности развития лидеров при коммутационных напряжениях). Обычно удельные высоты делителей выбираются следующими: 2,5 - 3 м/МВ при постоянном напряжении; 2 - 2,5 м/МВ при грозовых импульсах; 4 - 6 м/МВ при коммутационных импульсах; 4 - 5 м/МВ (эффективное значение) при переменном напряжении. Если напряжение составляет несколько сотен киловольт, проблема выбора размеров делителя обычно не возникает, так как требуемая площадь еще невелика. В области ультравысоких напряжений сильная нелинейная зависимость разрядного напряжения от расстояния между электродами приводит к очень большим размерам делителей.

Делитель напряжения представляет собой не обязательно специальное устройство. В установках постоянного напряжения, если это возможно, делитель встраивается непосредственно в генератор. Его также можно объединить с объектом испытаний, например, вводом высокого напряжения с конденсаторными обкладками.

Делитель напряжения с тщательно выбранными параметрами представляет собой линейный пассивный четырехполюсник.

Если рассматривать кратко представленные делители, то для них можно составить общую схему замещения (рис. 3.4). Она состоит из большого числа n последовательно включенных элементов – продольных сопротивлений , представляющих собой прежде всего наиболее важные детали делителя (резисторы, конденсаторы), к которым приложено высокое напряжение. В схеме учтены также паразитные параметры продольных элементов. По цепочке продольного сопротивления равномерно распределены поперечные сопротивления , учитывающие только влияние электрического поля продольных элементов, находящихся под разными потенциалами. Выходное напряжение U₂, которое много меньше входного напряжения, снимается с последнего элемента этой схемы. Следовательно, число элементов определяет и коэффициент деления N. Однако если рассматривать измерительную систему в целом, то n и N могут различаться, так как в схеме могут содержаться и другие элементы.

Рис. 3.4. Цепочечная схема однородного делителя напряжения

Как правило, делитель высокого напряжения (ДВН) конструктивно не совмещается с источником напряжения или объектом испытания и представляет собой отдельный прибор. В этом случае необходимо прежде всего учитывать взаимные электрические и магнитные связи, если элементы делителя не экранированы, так как экранирование часто осуществить невозможно. Делитель обычно состоит из нескольких соединенных между собой элементов, не имеющих электрических или магнитных экранов. Эти элементы на входе делителя, находящиеся под высоким потенциалом и на выходе имеющие потенциал, близкий к потенциалу земли, пространственно удалены друг от друга. Поэтому окружающее делитель пространство, такое же большое, как и в случае шарового разрядника, не должно содержать посторонних предметов. Делитель или устанавливают достаточно далеко как от источника напряжения, так и от испытуемого объекта (как правило, это расстояние равно высоте делителя), или же их так ориентируют относительно друг друга, чтобы связь между ними была слабой (например, делитель подвешивают над объектом испытания).

При использовании делителей, как и в обычных измерительных схемах, необходимы металлические соединения, изолированные на соответствующее напряжение между делителем и точкой измерения напряжения.

Тщательное экранирование участков схемы с выходным напряжением (в большинстве случаев не больше 1000 В) выполнить несложно. Такое экранирование, безусловно, необходимо, так как. на эти участки воздействуют электромагнитные поля, создаваемые всеми элементами, находящимися под высоким напряжением. Измерительная схема с делителем напряжения в импульсной измерительной цепи изображена на рис. 3.5.

Измерительный контур является передаточной системой, состоящей из нескольких компонентов, которые нельзя не учитывать. При измерениях постоянного напряжения влияние соединительных проводов на сторонах высокого 4 и низкого 6 напряжений отсутствует. В случае измерения низкочастотных переменных напряжений емкость измерительного кабеля 6 может сказаться на значении коэффициента деления N. В обоих случаях плечо низкого напряжения располагается у измерительного прибора 7.

Рис. 3.5. Делитель напряжения в импульсной измерительной цепи:

1 – генератор импульсных напряжений; 2 – соединительный провод; 3 – объект; 4 – соединительный провод с демпфирующим резистором; 5 – делитель напряжения; 6 – измерительный коаксиальный кабель; 7 – измерительный прибор низкого напряжения

При измерениях импульсных напряжений все элементы измерительного контура и их конструктивное выполнение в большей или меньшей степени влияют на передаточные свойства измерительной цепи. Саму цепочечную схему делителя необходимо дополнить другими элементами. Соединительный провод 4 желательно представить в виде линии.