Измерение высокого напряжения с помощью шаровых разрядников
Изоляция высоковольтных устройств, таких как, например, изоляторы, трансформаторы, коммутационная аппаратура, защитные устройства и другие должна подвергаться предварительным типовым и контрольным испытаниям высоким напряжением. Измерительные устройства, применяющиеся при этих испытаниях, значительно отличатся от измерительных устройств режимных параметров действующих электроустановок, где измерение высоких напряжений обычно производится с помощью трансформаторов напряжения или делителей напряжения.
В лабораториях при измерении испытательных напряжений приходится отказываться от применения трансформаторов напряжения вследствие того, что изготовление их для измерения напряжений, во много раз превышающих рабочие напряжения, связано с большими трудностям и значительными расходами. Поэтому для измерения высокого напряжения используются специальные измерительные устройства, в частности, шаровые разрядники. Шаровой разрядник является основным и наиболее доступным измерительным устройством в каждой научно-исследовательской и промышленной лаборатории высокого напряжения благодаря простоте устройства и практически приемлемой точности измерения, которую можно получить, соблюдая правильную методику измерения. Шаровые разрядники различных диаметров используются для измерения всего диапазона напряжений, включая самые высокие, для которых изготовление вольтметров представляет существенные трудности. Поскольку процесс разряда и величина разрядного напряжения имеют случайный характер, то измерения повторяют многократно, а затем определяют среднеарифметическое значение, которое и принимают за разрядное напряжение
Сущность измерения высокого напряжения с помощью шарового разрядника заключается в том, что разряд между двумя шаровыми электродами в воздухе происходит при определенном напряжении. Это напряжение зависит от расстояния между шарами S, от диаметра шаров D и от способа их включения. Если расстояние между шарами не превышает половины их диаметра, то при подключении напряжения к шарам электрическое поле в промежутке оказывается близким к однородному. Поэтому разрядное напряжение шарового разрядника практически совпадает с начальным при заданных условиях.
Основными схемами включения шаровых разрядников являются:
а) симметричное включение, когда оба шара находятся под напряжением относительно земли (оба шара изолированы от земли);
б) включение с заземлением одного из шаров (несимметричное включение).
Измерение с помощью шарового разрядника даёт максимальное значение (амплитуду) измеряемого напряжения. Величина напряжения, при котором произошел разряд, а следовательно, и величина измеряемого напряжения определяются по специальным таблицам в зависимости от расстояния между шарами, их диаметра и схемы включения. Данные таблиц позволяют определять разрядные напряжения, полученные при различном виде воздействия: переменном, постоянном и импульсном. В последнем случае учитывается эффект полярности при несимметричной схеме включения шаров (см. ниже). В основу современных стандартных таблиц (см. Приложение 2) положены результаты исследований в крупнейших специализированных лабораториях различных стран, обработанные МЭК. Эти таблицы являются официальным документом.
При несимметричном включении шарового разрядника наблюдается зависимость разрядного напряжения от полярности: при отрицательной полярности изолированного шара разрядное напряжение, близкое к начальному, меньше, чем при положительной полярности этого шара. Это различие объясняется тем, что электрическое поле между шарами, во-первых, несимметричное, а во-вторых, слабонеоднородное. При заземлении одного из шаров напряженность поля у поверхности изолированного шара будет больше, чем напряженность у поверхности заземленного шара. Поэтому эффективная ионизация, а значит и развитие разряда начинаются у изолированного от земли шара. При этом надо учитывать, что в условиях даже слабой неоднородности электрического поля образующийся вблизи начальной зоны ионизации положительный объёмный заряд несколько ослабляет поле у положительного электрода и усиливает у отрицательного. Поэтому начальное напряжение оказывается несколько больше при положительной полярности изолированного шара, чем при отрицательной.
При воздействии на промежуток «шар – шар» постоянного (т. е. длительно приложенного) напряжения этот эффект проявляется незначительно, и вызываемая им разница в разрядных напряжениях не превышает величину статистического разброса этих напряжений. Поэтому эффектом полярности в случае длительного воздействия напряжения на шаровой разрядник можно пренебречь. Напротив, при импульсном характере воздействующего напряжения его необходимо учитывать.
Для достижения высокой точности измерений при пользовании шаровыми разрядниками необходимо, чтобы поверхность шаров, главным образом, в той части, которой они обращены друг другу, была чистой. Шары разрядников должны быть изготовлены с такой точностью, чтобы диаметр шара отличался не более чем на ±0,1 % от требуемого, а кривизна шара, измеренная сферометром, – не более чем на ±1 % от кривизны шара данного диаметра. Стержни, на которых укреплены шары, не должны иметь диаметра, большего чем 0,2 диаметра шара. Кроме того, необходимо, чтобы пространство, в котором находится шаровой разрядник, было свободным от посторонних тел и больших поверхностей, которые могли бы исказить электрическое поле между шарами. Посторонние предметы и большие поверхности необходимо удалять от измерительного разрядника на расстояние не менее (4…5)∙D, и ограничивать расстояние между шарами S величиной, удовлетворяющей соотношению S/D ≤ 0,75.
Все измерения шарами связаны с пробоем промежутка и возникновением колебаний. Для ослабления возникающих колебаний, а также защиты трансформатора последовательно с шаровым разрядником включается защитное сопротивление R из расчета 1 Ом на 1 В. При измерении импульсных напряжений защитные сопротивления должны быть удалены, так как они искажают результаты измерений, величина же тока короткого замыкания здесь небольшая.
Значения разрядных напряжений указаны в таблицах для нормальных атмосферных условий при 20 °С и 760 мм рт. ст., что соответствует относительной плотности воздуха δ = 1.
Если измерение производится при других атмосферных условиях, то для получения истинного разрядного напряжения между шарами необходимо ввести поправку на плотность воздуха к табличному значению разрядного напряжения. При небольших колебаниях относительной плотности воздуха (0,95–1,05) можно считать разрядные напряжения пропорциональными относительной плотности воздуха, вычисляемой по формуле
,
где р, мм рт. ст.– барометрическое давление; t, °С – температура воздуха.
Поле между шарами при измерениях остаётся близким к однородному, поэтому влияние влажности воздуха незначительно (менее 1 %), и его можно не учитывать.
Таким образом, действительное разрядное напряжение, измеряемое при иных атмосферных условиях, чем нормальные, можно определить как
Up=δ∙Uр0,
где Uр0 – табличное разрядное напряжение.