Высоковольтное испытательное оборудование и измерения - Измерение переменных и постоянных напряжений разрядниками

Для измерения высокого напряжения используется явление пробоя воздушных промежутков при атмосферном давлении. При этом применяются разнообразные формы электродов в виде шаров, плоскостей, стержней, цилиндров и др. Наибольшее распространение для измерения высокого напряжения получил разрядник, в котором электродами являются два шара одинакового диаметра (рис. 5-20). Это измерение основано на том, что пробивное напряжение между шарами при прочих равных условиях зависит от расстояния между шарами, диаметра шаров и способа их включения.
Пробивное напряжение между шарами, когда поле близко к однородному, практически не зависит от влажности воздуха, но уменьшается с понижением давления и увеличением температуры. Для удобства сравнения измеренных шаровыми разрядниками напряжений при различных атмосферных условиях согласно проекту ГОСТ принято приводить эти напряжения к нормальным условиям (барометрическое давление 760 мм рт. ст. и температура 20° С). В обычном интервале изменения атмосферных условий  приведение измеренного шаровым разрядником напряжения к пробивному напряжению при нормальных атмосферных условиях осуществляется путем деления измеренного напряжения на относительную плотность воздуха 0, где
(5-36)
р и t — давление (мм pт. ст.) и температура (°C) во время измерений.
Широкое распространение шаровых разрядников для измерения амплитуды статических и импульсных высоких и сверхвысоких напряжений обусловлено простотой и доступностью этого устройства и приемов измерения, а также практически достаточной точностью, составляющей при обычных измерениях ±3%. Отрицательные стороны этого метода заключаются в следующем. Полный искровой разряд, при измерении иногда переходящий в дугу, нарушает установившийся режим и может явиться причиной внутренних перенапряжений в системе. Величина пробивного напряжения промежутка между шарами подчинена статистическим закономерностям и вследствие этого имеет место заметный разброс значений при ряде последующих измерений напряжения одной и той же величины. Для получения надежного результата приходится производить четыре- пять, а иногда и более отсчетов с интервалами между последовательными разрядами не менее 1 мин и за измеряемую величину принимать среднее арифметическое значение из этих отсчетов. Скорость повышения напряжения на разряднике до 50% пробивного может быть произвольной.

Рис. 5-20. Общий вид измерительных шаров диаметром 150 см.

Рис. 5-21. Пробивные напряжения между шарами (D = 50 см) при их различном расположении.
1—горизонтальное расположение; 2 и 3 - вертикальное расположение при верхнем или нижнем заземленном шаре.
Дальнейший подъем напряжения должен производиться со скоростью, не «превышающей 1% пробивного напряжения в секунду. Кроме этого, требуется учитывать путем последующих пересчетов необходимые поправки на давление и температуру.

Для измерения оказываются существенными конструкция разрядника и степень его экранирования от влияния окружающих тел, так как от этого зависит конфигурация электрического поля между шарами. Шары присоединяются к шинам различным образом. Возможно симметричное подключение напряжения, возможно и заземление одного из шаров. В последнем случае величина разрядного напряжения зависит от полярности незаземленного шара. Величина разрядного напряжения также зависит οт расположения оси шаров—горизонтальное или вертикальное, так как это также влияет на конфигурацию электрического поля. На рис. 5-21 показано влияние расположения шаров на разрядное напряжение между ними при заземлении одного из шаров. При вертикальном расположении разрядника и заземлении нижнего шара получаются хорошее экранирование промежутка и более высокие пробивные напряжения между шарами во сравнению с другими возможными включениями.
На рис. 5-22 представлена зависимость пробивного напряжения от расстояния на переменном напряжении 50 Гц при 20° С и давлении 760 мм рт. ст. для шаров различных диаметров. Сплошные линии относятся к случаю, когда нижний из вертикально установленных шаров заземлен, прерывистые линии — к случаю симметричного включения шаров.

Начиная с некоторого определенного расстояния 5 между шарами, значительно превосходящего диаметр шаpa D, пробивное напряженно при положительной полярности (на незаземленном шаре) становится меньше пробивного напряжения при отрицательной полярности.

Рис. 5-22. Зависимость пробивного напряжения для шаров от расстояния на переменном напряжении.

С увеличением расстояния между шарами поле становится все более неоднородным и пробивное напряжение приближается к величине, получаемой при пробое воздуха между иглой и плоскостью. На рис. 5-23 представлена зависимость пробивного напряжения от расстояния между шарами на переменном токе при 20° С, 760 мм рт. ст. и больших разрядных расстояниях.
Для соблюдения точности измерений в пределах ±3% максимально допустимое значение отношенияпри измерениях не должно превышать 0,75. Поэтому с ростом измеряемого напряжения применяют шары большего диаметра, как показано в табл. 5-4. С увеличением отношения S/D— погрешность измерения возрастает.

Международной электротехнической комиссией (МЭК) составлены стандартные таблицы, в которых представлены зависимости пробивных напряжений шаровых разрядников с диаметрами шаров до 200 см от расстояния между ними.
В указанных таблицах в скобках /поставлены значения, когда S/D = 0,75. Эти таблицы, принятые в СССР, помещены в приложениях (табл. П-8—П-11).
Таблица 5-4
Максимальные измеряемые напряжения с помощью шаровых разрядников

Рис. 5-23. Зависимость пробивного напряжения для шаров D — 100 см и D = 200 см от расстояния на переменном напряжении.

В последнее время появляется необходимость в применении шаров диаметром больше 200 см, для которых пока нет стандартизированных таблиц. А. М. Залесский на основании экспериментальных данных для шаров диаметром 200 см предложил формулы, по которым получена градуировочная кривая шарового разрядника с диаметром шаров 250 см. Кривая приводится на рис. 5-24. Для измерения напряжений 5—8 Мв необходим шаровой разрядник с диаметром шаров 3,5 м.
Посторонние предметы, расположенные вблизи шарового разрядника, и особенно находящиеся под высоким напряжением, могут вызвать дополнительные ошибки при измерениях. Погрешность измерения, вносимая посторонним предметом, тем больше, чем больше- и чем меньше а -р , где а — расстояние от постороннего предмета до шара, находящегося под напряжением. Кроме того, погрешность больше, когда мешающий предмет находится под высоким напряжением по сравнению со случаем, когда этот предмет заземлен. При S≥0,5D и заземлении одного из шаров расстояние от шара, находящегося под напряжением, до заземленного постороннего предмета должно быть не менее 5D при малых диаметрах шаров и 3D при D=200 см. При S<0,5D это расстояние принимается равным (10—6)S. Расстояния от посторонних предметов, находящихся под напряжением, должны быть на 50% больше, чем указанные выше расстояния до заземленных поверхностей.
Выравнивание поля между шарами может привести к увеличению диапазона измеряемых напряжений и уменьшению влияния посторонних предметов. Хорошие результаты получаются при использовании экранирующих колец, связанных с заземленным шаром, как это показано на рис. 5-25. Если шаровой разрядник экранирован кольцами, то они способствуют уменьшению разброса данных отдельных измерений, особенно при больших расстояниях между шарами.
 

Рис. 5-24. Градуировочные кривые шарового разрядника с диаметром шаров 250 см.

Поверхность измерительных шаров должна быть полированной, сухой и чистой. Шары разрядника должны иметь диаметр, который может отличаться не более чем на ±0,1% требуемого, я кривизна шаров, измеренная сферометром, не должна отличаться от кривизны идеальных шаров соответствующих диаметров более чем на ±1% для шаров с D<100 см и более чем на ±2% для шаров большего диаметра.
При измерении переменного и постоянного напряжений шаровым разрядником в цепь включается безындукционное не зависящее от напряжения сопротивление, которое предохраняет источник высокого напряжения от короткого замыкания и от перенапряжений при пробое в шаровом разряднике.
Сопротивление ограничивает ток в цепи и предохраняет шары разрядника от обгорания. При измерении переменного напряжения промышленной частоты минимальная величина защитного сопротивления может быть определена из табл. 5-5. Наибольшее распространение получили защитные сопротивления в виде стеклянных, фарфоровых и резиновых трубок, заполненных водой.

Рис. 5-25. Экранирование измерительных шаров кольцами (размеры в сантиметрах).

Таблица 5-5
Минимальная величина защитного сопротивления в зависимости от диаметра шаров

При определении изменений пробивных напряжений, имеющих место при повторных разрядах для данного промежутка между плоскостями, было зарегистрировано сред нее отклонение 0,06% по сравнению со средним отклонением 0,2% для шарового разрядника с диаметром шаров 25 см в подобных условиях.
Анализ различных ошибок, которые могут быть введены неточной установкой плоскостей и соседними объектами, показал, что расстояние между плоскостями и ближайшими заземленными предметами должно быть не меньше четырехкратного максимального разрядного промежутка. Соответствующее расстояние до объектов, находящихся под высоким напряжением, должно быть не меньше десятикратного.

Таблица 5-6
Сопоставление пробивных напряжений при 50 Гц шарового разрядника и разрядника с плоскими электродами по Брюсу (давление 760 мм pm. ст., температура 20° С)

Голзер и Ритц для измерения переменного напряжения до 412 квмакс использовали электроды с плоскими разрядными поверхностями по типу электродов Роговского, при этом точность измерения напряжения составляла около ±0,5%.
Недостатком этих электродов является относительная трудность их изготовления по сравнению с шаровыми.
Представляет интерес разрядник, в котором в качестве электродов применены два цилиндра с осями, расположенными под прямым углом друг к другу. С целью уменьшения искажения электрического поля края цилиндров закругляются. В таком случае можно рассчитать напряженность электрического поля. В табл. 5-7 сопоставлены пробивные напряжения шарового разрядника и разрядника с перекрещенными цилиндрами. Диаметр шаров и цилиндров был одинаков и составлял 6,25 см.

Таблица 5-7
Сопоставление пробивных напряжений шарового разрядника и разрядника с перекрещенными цилиндрами

Близкие значения сравниваемых пробивных напряжений указывают на однородность поля между перекрещенными цилиндрами и на возможность применения такого разрядника для измерения высокого напряжения. Недостатком такого разрядника является то, что его размеры и занимаемая им площадь значительно больше, чем у шарового разрядника.
Для измерения величины высокого напряжения могут быть использованы электроды в виде двух стержней квадратного сечения. Поверхности этих электродов, обращенные друг к другу, являются плоскостями, перпендикулярными к боковым граням стержней. Стержни обычно монтируются горизонтально на опорных изоляторах и выступают из опор на расстояние, не меньшее половины промежутка между стержнями; при этом высота расположения стержней над поверхностью земли должна быть в 2— 1,5 раза больше, чем расстояние между ними.

В сильно неоднородном поле, имеющем место между электродами в виде стержней, напряженность электрического поля в различных точках пространства между электродами значительно отличается от средней, а начальное напряжение коронирования значительно меньше пробивного. Объемные заряды искажают распределение потенциала между электродами и определяют начало процесса пробоя задолго до полного нарушения электрической прочности промежутка. В отличие от однородного поля, где влияние влажности воздуха является незначительным, в неоднородном поле с увеличением влажности пробивное напряжение промежутка повышается. Это явление можно объяснить тем, что во влажном воздухе молекулы воды захватывают электроны и образуют малоподвижные ионы. Электроны, присоединившиеся к молекулам воды, теряют способность к дальнейшей ионизации промежутка.
Таким образом, на величину пробивного напряжения промежутка между стержнями, кроме плотности воздуха, значительное влияние оказывает его влажность. Поэтому при пробое воздуха в неоднородном поле измеренные величины пробивных напряжений принято приводить к нормальным атмосферным условиям      (давление 760 мм рт. ст., температура + 20° С, абсолютная влажность 11 г/м3, равная примерно 11,44 .мм. рт. ст., парциального давления водяных паров).

(5-39) формула, приведенная к нормальным атмосферным условиям величины пробивного напряжения, 
где U'—пробивное напряжение, измеренное в условиях опыта;
δ — относительная плотность воздуха в условиях опыта;
k — поправка на влажность воздуха (%), которую можно определить из рис. 5-27.

Рис. 5-27. Зависимость поправки k от давления водяных паров

В табл. 5-8 приводятся пробивные напряжения промежутков между стержнями.
Таблица 5-8
Пробивные напряжения промышленной частоты для промежутков между стержнями квадратного сечения 3,23 сл2 при нормальных атмосферных условиях

Стержневые разрядники в отличие от шаровых редко применяются для измерения установившегося напряжения по той причине, что величина их пробивного напряжения сильно зависит от влажности воздуха и они дают большую погрешность в измерениях.