Измерения на высоком напряжении - Измерение максимальных значений напряжений шаровыми разрядниками

3.3. ИЗМЕРЕНИЕ МАКСИМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПОСТОЯННЫХ, ПЕРЕМЕННЫХ И ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ШАРОВЫМИ РАЗРЯДНИКАМИ
Измерение максимальных значений напряжения с помощью искровых промежутков основано на том, что при заданных размерах электродов и одинаковых внешних условиях пробой происходит при определенных известных напряжениях, воспроизводимых с разбросом в заданных границах. При напряженности электрического поля, достигающей определенного значения (примерно 30 кВ/см для воздуха при атмосферном давлении), выполняется условие самостоятельности разряда. Процессы, приводящие к пробою, сложны, и здесь не место рассматривать их подробно, тем более что они изложены во многих работах, например в [207—210]. Отметим лишь, что согласно накопленному к настоящему времени опыту для измерений напряжения годятся только такие промежутки, при которых начальные и разрядные напряжения не сильно различаются. Исключение составляет промежуток типа стержень—стержень, который согласно исследованиям, приведенным в [545], обладает при постоянном напряжении меньшими разбросами разрядных напряжений и лучшей линейностью зависимости разрядного напряжения от расстояния между электродами по сравнению с описанным выше промежутком типа шар—шар.
Наиболее распространенными измерительными промежутками являются промежутки между сферическими электродами [221]. Два электрода располагаются либо по горизонтальной, либо по вертикальной оси (рис. 125, 126) [217]. Пользование при измерениях шаровыми разрядниками сложно и требует много времени. Кроме того, при пробоях между шарами каждый раз прерывается исследуемый процесс: при разрядах могут возникнуть переходные процессы и перенапряжения. Поэтому шаровые разрядники часто используются для градуировки других измерительных устройств, непрерывно показывающих максимальное напряжение и имеющихся на установке, причем градуировка
проводится при напряжении, меньшем, но близким к испытательному, а испытательное напряжение определяется экстраполяцией или по снятой заранее градуировочной кривой. При этом шаровые электроды остаются в схеме испытаний, однако расстояние между ними устанавливается в 1,1—1,2 раза большим, чем расстояние, соответствующее испытательному напряжению, и шаровой разрядник служит при испытаниях в качестве защитного. Нужно иметь в виду, что градуировочная кривая, снятая с помощью разрядника, может оказаться непригодной после изменений в схеме.

Рис. 125. Пространственные защитные зоны измерительного шарового разрядника вертикального исполнения согласно рекомендациям МЭК:
1 — изолятор; 2 — держатель шара; «3 — устройство для изменения и измерения расстояния между шарами; 4 — подвод высокого напряжения через демпфирующий резистор; 5 — защитное кольцо; Р — точка возникновения разряда; А — расстояние от точки Р до заземленного пола; В — защитная зона; X — граничная плоскость, которую не должен пересекать подвод высокого напряжения

Рис. 126. Защитные зоны измерительного шарового разрядника горизонтального исполнения (обозначения см. на рис. 125)
Таким изменением может быть удаление из схемы шарового разрядника после градуировки, так как при этом устраняется емкость шарового разрядника, подключенная параллельно объекту. Если с помощью шарового разрядника снята градуировочная кривая прибора, включенного на первичной стороне испытательного трансформатора, то она может оказаться непригодной, поскольку при удалении разрядника из схемы может измениться коэффициент пересчета (см. также пп. 3.2.3).
Емкость шарового разрядника С, Ф, с достаточной точностью рассчитывается по выражению

где S— расстояние между электродами, см; /— коэффициент, зависящий от отношения расстояния между электродами к радиусу шаров г.
Для определения f служат зависимости, приведенные на рис. 127. При этом f = flf если к промежутку шарового разрядника приложено симметричное относительно земли напряжение. Если один из шаров заземлен, то / =-- /2. Обычно емкость шарового разрядника лежит в пределах от 1 до 50 пФ. Таким образом, не представляет труда ориентировочно рассчитать, можно ли пренебречь емкостью измерительного разрядника при известной емкости объекта испытаний.
При заземленном одном шаре окружающие измерительный разрядник заземленные предметы влияют на распределение поля в промежутке: поле у незаземленного шара увеличивается и ослабляется у заземленного по сравнению с симметричным приложением напряжения. Это наглядно можно пояснить следующим образом. Силовые линии поля, исходящие от незаземленного шара, только частично замыкаются на противоположный шар. Часть линий замыкается на соседние заземленные предметы. Влияние окружающих предметов особенно сильно проявляется при больших расстояниях между шарами [219, 223]. Для всех промежутков с несимметричным распределением поля проявляется эффект полярности. Это явление заметно в шаровом разряднике, если S > г [214, 215].

Рис. 127. Коэффициент f для расчета емкости шарового разрядника в зависимости от отношения расстояния между шарами к радиусу шаров (а); начальный участок кривых (б)
Если при постоянном напряжении и переменном напряжении низкой частоты можно просто судить о значении приложенного напряжения по разрядному расстоянию, то при измерениях кратковременных импульсных напряжений в зависимости от обстоятельств могут наблюдаться большие различия между приложенным напряжением и статическим напряжением, соответствующим разрядному расстоянию (разрядным напряжением при постоянном или НЧ напряжении). Возникновение самостоятельного разряда между шарами подчиняется статистическим законам. Если при кратковременном приложении напряжения не успевает развиться разряд, то пробоя не произойдет, даже если максимальное значение импульса превысит статическое разрядное напряжение промежутка. Подробное рассмотрение этого эффекта содержится в работах по импульсной прочности газообразных, жидких и твердых диэлектриков [20, 226—228].
Собственно измерение осуществляется либо при поддерживаемом на постоянном уровне максимальном значении измеряемого напряжения и постепенном сокращении расстояния между электродами, первоначально установленном заведомо большим, чем разрядное расстояние, либо при постоянном межэлектродном расстоянии и повышении напряжения до возникновения пробоя. В первом случае скорость изменения расстояния не должна превышать 1% диаметра шара в секунду. Во втором случае разрядное напряжение должно достигать разрядного не ранее чем через 30 с после начала подъема. По измеренным многим значениям в серии определяют среднее значение разрядного напряжения. При измерениях импульсных напряжений изменяют максимальное напряжение или расстояние между шарами, пока не получают разряд в 50% случаев приложения напряжения (50%-ное разрядное напряжение [234]). По результатам многочисленных измерений, выполненных в различных странах, установлены стандартные разрядные расстояния и соответствующие им разрядные напряжения [216, 217]. которые с определенной точностью воспроизводимы при соблюдении определенных условий (табл. 1). Приведенные в табл. 1, а, б значения справедливы для переменного напряжения при расстояниях между шарами S г, при этом возможна погрешность не выше 4=3%. При постоянном напряжении и S ^0,8 г возможна погрешность ± 5%. Значения, данные отдельно для импульсов положительной и отрицательной полярностей, при S ^ г имеют погрешность не выше + 3%. Значения, заключенные в скобках, имеют повышенные разбросы, их погрешность может выйти за указанные границы.
Как уже упоминалось, фактическое разрядное импульсное напряжение зависит от формы импульса. Приведенные в табл. 1, а, б данные справедливы для стандартного грозового импульса.
Для обеспечения точности измерений шаровым разрядником необходимо выполнить ряд дополнительных условий, которые подробно оговорены в требованиях МЭК в национальных стандартах [216, 217]. Важнейшие из них следующие.

Шары должны быть изготовлены из металла, преимущественно из меди. Номинальный диаметр не должен отклоняться более чем на ±2%. Расположение шаров друг относительно друга и окружающих предметов (крыши, стен, потолка) должно удовлетворять указанным на рис. 125 и 126 требованиям. Должны выдерживаться данные, приведенные в табл. 2, минимально и максимально допустимые расстояния А и В (рис. 125 и 126). Для демпфирования переходных процессов, возникающих при частичных разрядах, и для снижения электрической эрозии материала шаров измерительный промежуток включают к источнику напряжения через резистор с сопротивлением от 10 кОм до 1 МОм. При частотах выше 1000 Гц значение сопротивления уменьшается обратно пропорционально частоте.

Примечание. См. примечание к табл. 1а.
Сопротивление и емкость разрядника образуют делитель напряжения, зависящий от частоты. Максимально допустимое значение сопротивления зависит от емкости разрядника. Необходимо заботиться о том, чтобы в рамках требуемой точности значение R было мало по сравнению с 1/со С, т. е. чтобы коэффициент деления был близок к единице (см. также [760]). Влияние наложенных на переменное напряжение ВЧ колебаний на разрядные напряжения в воздухе исследовалось в [230—233].
При импульсных напряжениях сопротивление демпфирует быстрые изменения токов и напряжений, вызванных переходными процессами, которые могут быть опасны для испытуемого объекта. Обычно значение сопротивления составляет около 500 Ом. При сравнительно малых диаметрах шаров допустимы большие значения сопротивления. Собственная постоянная времени цепочки сопротивление — емкость разрядника должна быть значительно меньше длительности фронта измеряемого напряжения.

Примечания. I. Для шаров диаметрами 2G0 и 300 мм расстояния А и В нормами не определены.
2. S — расстояние между шарами.

При измерениях напряжений менее 50 кВ с помощью разрядников с шарами любых диаметров и в случае измерения любых напряжений при диаметрах шаров 12,5 см и менее требуется дополнительное облучение промежутка, если необходимо проводить точные измерения [224, 225, 750, 763]. Стимулирование появления начальных электронов в промежутке может осуществляться:
а) с помощью ртутной кварцевой лампы, которая должна устанавливаться на расстоянии минимального значения В (табл. 2) так, чтобы свет падал на электрод в месте возникновения пробоя. Согласно рекомендациям МЭК мощность и ток лампы не должны быть менее 35 Вт и 1 А соответственно;
б) с помощью радиоактивного препарата, размещенного в капсуле внутри шара у места, где возникает разряд. Радиоактивность источника должна быть не менее 0,74, предпочтительнее 2,22* 1010 Бк [759];
в) с помощью рентгеновской трубки, установка которой и интенсивность облучения соответствуют указанным в п. «а» и «б».
Способы облучения, приведенные в п. «б» и «в», не нашли широкого распространения. Они используются только при проведении специальных работ, так как требуется строгое выполнение правил работы с радиоактивными препаратами и рентгеновским излучением, что встречает на практике затруднения.
Облучение ультрафиолетовыми лучами азотного лазера существенно снижает разбросы разрядных напряжений и по существу не очень трудно [762].
Разрядное напряжение шарового разрядника изменяется приблизительно пропорционально относительной плотности 8, которая в свою очередь зависит от температуры воздуха Т и давления Р:

где Р выражено в килопаскалях, а Т—в градусах Цельсия.

Влажность воздуха в пределах установленной точности измерений не влияет на разрядные напряжения измерительного разрядника.
На рис. 128 показано выполнение современного шарового разрядника на напряжение 540 кВ.
Как следует из сказанного выше, шаровой разрядник чувствителен к внешним полям и к расположению предметов, находящихся под потенциалом земли. Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям, приведенным в [218, 219], на устройство, показанное на рис. 129, мало влияют заземленные окружающие предметы и стены. Поэтому оно требует меньшего свободного пространства. Разрядное напряжение промежутка шар — полусфера лежит приблизительно на 5% ниже, чем обычного шарового промежутка, если расстояние между электродами равно радиусу шара. Для меньших расстояний отклонение меньше. Авторы дают поправочный коэффициент, с помощью которого можно рассчитать разрядное напряжение по табличным данным, относящимся к обычному шаровому измерительному разряднику (см. также [761].)
В такой же степени нечувствительны к внешнему окружению и промежутки, образованные перекрещивающимися цилиндрами [220]. Кроме того, они обладают еще одним преимуществом — простотой точной установки электродов. Недостатком является увеличение занимаемого ими пространства, так как длина цилиндров должна быть приблизительно в 5 раз больше межэлектродного расстояния.