Измерение импульсных напряжений в отличие от измерения статических напряжений имеет ряд особенностей, вызванных тем, что воздействие импульсного напряжения на разрядный промежуток длится ограниченное время: от нескольких микросекунд до десятков микросекунд. Установлено, что при приложении к разрядному промежутку импульсного напряжения достаточно малой длительности пробой не наступает тогда, когда напряжение достигает значения, равного статическому пробивному или даже превышает его. Как для любого процесса, так и для развития процесса пробоя газа необходимо некоторое конечное время, которое называют временем запаздывания пробоя Время запаздывания пробоя принято определять как время, прошедшее с момента приложения к промежутку напряжения, равного статическому пробивному, до момента резкого спада напряжения на промежутке.
Время запаздывания пробоя в газах можно разделить на две составляющие: статистическое время запаздывания и время формирования разряда. Статистическое время запаздывания пробоя в газах обусловлено недостаточным количеством или отсутствием электронов в промежутке, которые могли бы начать процесс пробоя в тот момент, когда напряжение на промежутке достигает величины статического пробивного. Отсюда время статистического запаздывания пробоя в газах определяется как время, прошедшее с момента приложения напряжения, равного статическому пробивному, до появления в промежутке одного или нескольких начальных электронов, способных начать ионизацию газа и довести этот процесс до пробоя. Не все электроны, появившиеся в промежутке между электродами даже в благоприятный момент, когда напряжение на нем равно пробивному статическому, могут начать разряд: одни из них могут уйти из межэлектродного пространства, другие — образовать отрицательные ионы, рекомбинировать и т. д. Время формирования разряда определяется как время с момента появления в межэлектродном пространстве начальных электронов, способных создать электронную лавину, до образования хорошо проводящего пути, когда напряжение на электродах резко падает.
Статистическое время запаздывания зависит от многих обстоятельств и не является величиной постоянной. Нормально в 1 см3 воздуха под действием космических лучей, радиоактивности Земли и др. в 1 сек образуется от 10 до 20 электронов. Время статистического запаздывания в таком случае сравнительно велико и поэтому для уменьшения его искровой промежуток облучают ионизирующими излучениями. Статистическое время запаздывания в значительной степени зависит также от величины приложенного к электродам напряжения и от материала катода.
На рис. 5-28 показана зависимость среднего статистического времени запаздывания от величины перенапряжения для электродов из разных материалов при одинаковых условиях их облучения. Электродами являлись шары диаметром 5 см с расстоянием между ними 0,11 см. С ростом перенапряжения статистическое время запаздывания уменьшается, достигая минимального значения при перенапряжении 1,8. Это означает, что при этом и большем перенапряжении каждый электрон, находящийся в промежутке, способен образовать электронную лавину и довести этот процесс до пробоя.
Рис. 5-28. Зависимость среднего статистического времени запаздывания от величины перенапряжения для электродов из различных материалов.
1— электрон; 2— алюминий; 3—железо; 4— серебро; 5 —медь; 6 — окись меди.
Зависимость статистического времени запаздывания от материала катода показывает, что оно возрастает с увеличением энергии выхода электронов с катода. Наибольшее значение статистического времени запаздывания наблюдается у промежутка между шарами, покрытыми пленкой окиси меди. Поэтому поверхность шаровых разрядников небольшого диаметра перед измерением импульсных напряжений следует полировать.
При измерении амплитуды волны импульса за пробивное принимают такое напряжение, при котором половина всех импульсов, наложенных на объект испытания, вызывает сто пробой. Величину этого напряжения называют 50%-ным пробивным напряжением.
Согласно таблицам Международной электротехнической комиссии (МЭК), принятым в СССР, в случае заземления одного из шаров пробивные напряжения шарового разрядника совпадают между собой при воздействии на него постоянного или импульсного напряжений отрицательной полярности, а также напряжения промышленной частоты. Необходимость составления отдельной таблицы для постоянного и импульсного напряжений положительной полярности вызвана тем, что с увеличением расстояния между шарами начинает сказываться эффект полярности и пробивные напряжения при положительной полярности становятся больше пробивных напряжений при отрицательной полярности. В случае симметричного подключения напряжения к шаровому разряднику принято, что пробивные напряжения промышленной частоты, импульсные и постоянные обеих полярностей совпадают между собой.
Указанными таблицами можно пользоваться для измерения импульсных напряжений любой полярности при условии, что импульс имеет стандартную форму с длиной фронта не менее 1 мксек и временем полураспада не меньше 5 мксек. Если эти условия выполняются и удовлетворены различные требования, указанные в предыдущем параграфе, которые предъявляются к шаровому разряднику, то результаты измерений при использовании шарового разрядника будут находиться в пределах точности ±3%.
При измерении шаровым разрядником импульсных напряжений длительностью меньше микросекунды величина пробивного напряжения сильно возрастает по сравнению с импульсами большей длительности. В этом случае разряд происходит на фронте волны, а время разряда составляет доли микросекунды. При этом пробивное напряжение зависит от диаметра шаров и полярности импульсов, как это представлено в табл. 5-9. Пробивное напряжение для шаров всех рассмотренных диаметров быстро возрастает с уменьшением времени пробоя. Более быстрое возрастание пробивного напряжения с уменьшением времени пробоя наблюдается для отрицательной полярности, меньших относительных расстояний и меньших диаметров шаров.
Для того чтобы обеспечить практическую неизменность результатов при измерении импульсных напряжений шаровыми разрядниками, часто применяется искусственная ионизация разрядного промежутка. Облучение поверхности электродов ультрафиолетовым излучением от ртутно-кварцевой лампы, искровые и коронные разряды в воздухе, а также излучение от радиоактивных веществ увеличивают число свободных электронов в промежутке и тем самым уменьшают статистическое время запаздывания пробоя.
Таблица 5-9
Пробивные напряжения шаровых разрядников, отнесенные к пробивному напряжению при 2 мксек
При низких частотах и, следовательно, сравнительно медленном возрастании напряжения статистическое время запаздывания пробоя практически не играет роли, потому что в течение большого времени воздействия напряжения для начала пробоя возникают благоприятные для разряда условия.
На рис. 5-29 представлена зависимость относительного числа пробоев между шаровыми электродами диаметром 12,5 см при длине промежутка в 3 см от величины амплитуды импульсного напряжения при различных условиях. При облучении промежутка наблюдается резкий переход от отсутствия пробоев к 100%-ным пробоям, тогда как без облучения этот переход является постепенным. Например, для импульсов 1/5 мксек, при отсутствии облучения наблюдался 1 % пробоев промежутка из всех приложенных к нему импульсов напряжением 94 кВ и 99% —только при напряжении 114 кВ; при этом имеет место значительный разброс результатов отдельных измерений.
Величина фототока зависит от материала катода и быстро уменьшается с временем облучения. Способ обработки поверхности катода также оказывает большое влияние на величину фототока. Это привело к заключению, что статистическое время запаздывания пробоя в промежутке, облучаемом ртутно-кварцевой лампой может сильно изменяться, если не учитывать влияния поверхности электродов. Удовлетворительные результаты получены с использованием радиоактивных веществ.
При таком облучении происходит как вырывание электронов с поверхности катода, так и ионизация в межэлектродном пространстве, поэтому измеряемое пробивное напряжение промежутка не зависит от материала электродов.
При применении радиоактивных веществ часто используют препарат радия, который помещается внутрь высоковольтного шара с толщиной стенки около 2 мм поблизости от разрядной поверхности. При этом установлено, что использование небольших количеств радия, около 1 мг и менее, дает хорошие результаты для разрядных промежутков порядка 1 см и более и не дает устойчивых результатов для промежутков между электродами до 1 мм.
Рис. 5-29. Зависимость относительного числа пробоев от величины амплитуды импульсного напряжения.
А — импульсы +1/5 мксек; промежуток облучался от искровых промежутков ГИН или 0,5 мг радия; В — импульсы +1/5 мксек, промежуток облучался ртутно-кварцевой лампой 15 вт на расстоянии 30 см от него; С —импульсы +1/5 мксек; то же на расстоянии 100 см; D — импульсы +1/500 мксек; промежуток не облучался; Е — импульсы +1/5 мксек; промежуток не облучался.
При воздействии импульсной волны 1/50 мксек на шаровой разрядник с диаметром шаров 25 см и расстоянием между ними 12.5 см 50% пробивное напряжение для необлучаемого промежутка при приложении импульсов положительной полярности составляло 311 кВ с разбросом +-8 кВ между отсутствием и 100%-ными пробоями. При применении 0,5 мг радия это напряжение составляло 291 кВ с разбросом менее +-1,5 кВ. Следовательно, при облучении промежутка пробивное напряжение на импульсах положительной полярности уменьшается и, кроме того, оно более точно измеряется. Влияние облучения при воздействии на тот же промежуток импульсов отрицательной полярности значительно меньшее. Так, уменьшение в пробивном напряжении вышеуказанного промежутка при приложении импульсов отрицательной полярности составляло от 285 кВ (промежуток не облучался) до 281 кВ (промежуток облучался).
На рис. 5-30 приведены кривые 1, показывающие процентную разность между пробивными напряжениями на положительных и отрицательные импульсах при ионизации промежутка препаратом радия в зависимости от отношения расстояния S между шарами к диаметру шаров D. Для сравнения они сопоставляются с соответствующими кривыми 2, построенными по данным стандартных таблиц пробивные напряжений. Из сравнения кривых видно, что для шаров разных диаметров влияние облучения промежутка неодинаково.
Увеличение диаметра шаров для облучаемых промежутков сопровождается сближением экспериментальных кривых с кривыми, построенными по данным стандартных таблиц пробивных напряжений.
Мик и Гарфитт показали, что пробивное напряжение промежутка между измерительными шарами при воздействии на него импульсной волны зависит от степени его облучения от искровых промежутков ГИИ. Следовательно, на получаемые результаты может оказать влияние расстояние шарового разрядника от ГИН, а также угол, под которым расположена ось шарового разрядника по отношению к искровым промежуткам ГИН.
Исследовалось влияние угла падения лучей от искрового источника на 0,76-мм промежуток между шарами диаметром 1,27 см. Промежуток между шарами подвергался воздействию импульсов 0,63/100 мксек, и находился от источника излучения на постоянном расстоянии 30,5 см. Угол φ, определяющий направление облучения, принимался равным нулю, когда облучение направлено перпендикулярно к оси испытательного промежутка. Облучение было наиболее эффективным, когда φ = —18°. Этот угол приблизительно равен углу, под которым лучи от источника облучения направлены вдоль общей касательной к двум сферам, т. е. когда катод максимально облучался.
Экспериментально показано, что на величину пробивного напряжения промежутка между шарами незначительно воздействует ультрафиолетовое облучение, когда фототок с катода в результате облучения составляет менее 10-11 а, что соответствует 1 электрону через 1 см2 за 0,016 мксек. Можно ожидать, что любой облучающий источник, производящий фототок этого порядка уменьшает статистическое время запаздывания пробоя, не вызывая уменьшения пробивного напряжения, и обеспечивает пробой при одном и том же напряжении для импульсов продолжительностью 1 мксек и более. Однако если промежуток подвергается сильному облучению, то фототоки приводят к нарушению поля в промежутке и пробивное напряжение промежутка может оказаться ниже его обычной величины и даже меньше пробивного напряжения при постоянном токе.
Преимущество использования ультрафиолетового излучения от искровых промежутков ГИН состоит в том, что облучение является сильным и происходит как раз в тот момент, когда это требуется, а именно в момент приложения импульсной волны к шаровому разряднику. Однако при измерении импульсных напряжений шаровым разрядником не всегда возможно установить шары в такое положение, чтобы они достаточно облучались от искровых промежутков ГИН. По этой причине применение ртутно-кварцевой лампы или радиоактивных веществ обычно бывает предпочтительнее.
В настоящее время существует единое мнение о необходимости облучения разрядных промежутков при измерении импульсных напряжений до 50 кВ и в особенности при измерении коротких импульсов с малой амплитудой. Имеются данные, которые показывают, что для получения более точных результатов измерений облучение необходимо и при измерении стандартных импульсных волн с амплитудой более 50 кВ, особенно для импульсных напряжений положительной полярности.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод о необходимости уточнения стандартных таблиц для пробивных напряжений при воздействии импульсов положительной полярности. Имеется необходимость в составлении таблиц пробивных напряжений при временах пробоя менее 1 мксек. Требуются более точные нормы по отношению к ионизаторам, чтобы уменьшить расхождение между результатами, получаемыми в различных лабораториях.
Плоские электроды в отличие от шаровых имеют значительно больший объем межэлектродного пространства, в котором при прочих равных условиях вероятность появления «эффективного» электрона, способного начать процесс ударной ионизации, значительно возрастает. Следовательно, должно сократиться время запаздывания пробоя, вследствие чего уменьшится разброс в результатах отдельных измерений и повысится их точность.
Можно полагать, что использование плоских электродов с однородным полем для измерения импульсных напряжений, особенно малой длительности, создаст возможность более точного измерения амплитуды импульсных напряжений по сравнению с шаровыми электродами.
Для измерения амплитуды импульсных напряжений, как и для измерения статических напряжений, можно использовать пробой промежутков между стержнями стандартной формы (квадратное сечение, срезанное перпендикулярной плоскостью). Для этой цели Международной электротехнической комиссией предложена таблица пробивных напряжений в зависимости от расстояний между стержнями (табл. 5-10). Taблица 5-10
Импульсные пробивные напряжения стержневых промежутков, о. Атмосферное давление 760 мм. рт. ст., температура 20°С, абсолютная влажность 11 г/м
Пробивное напряжение определяется величиной, при которой 50% из всех прикладываемых к промежутку между стержнями импульсов вызывают пробой промежутка.
Проведенные исследования показали, что при измерении напряжений стержневыми разрядниками могут иметь место значительные отступления от табличных градуировочных данных, достигающие ±8%.
При необходимости измерения стержневыми электродами более высоких напряжений можно воспользоваться кривыми рис. 5-31, где приведены 50%- ные пробивные напряжения 1 и пробивные напряжения при времени разряда 3 мксек, при расстоянии между стержнями до 3 м 2 при воздействии импульсных воли + 1,5/40 мксек по данным ЛПИ.
Рис. 5-31. Зависимость пробивного напряжения воздуха от расстояния между стержневыми электродами.
Приведение пробивных напряжений на импульсах к нормальным атмосферным условиям производится аналогично рассмотренному в предыдущем параграфе. Поправку на влажность воздуха для стержневых электродов можно определить из графика рис. 5-27.
Возможность использования шаровых разрядников для измерения напряжения высокой частоты исследовалась многими авторами. На рис. 5-32 представлена зависимость пробивного напряжения от расстояния между шарами диаметром 25 мм при нормальном атмосферном давлении для разных частот незатухающих колебаний по Лассену. Пробивное напряжение уменьшается с возрастанием частоты тем больше, чем длиннее разрядный промежуток. Снижение пробивного напряжения наблюдается с частот порядка 2-104 Гц, что можно объяснить влиянием объемного заряда и неполной деионизацией разрядного промежутка от предыдущего полупериода.
На рис. 5-33 приведена зависимость пробивного напряжения 1кв) для воздуха в однородном поле от частоты, построенная по данным разных авторов. При данном pхd = 30,4 см мм. рт. ст., начиная с промышленной частоты до частоты 1-106 Гц, величина пробивного напряжения соответствует статическому пробивному напряжению. Это означает, что в этой области частот за время одного полупериода пространство между электродами успевают покинуть даже относительно малоподвижные ионы и накопления объемного заряда не происходит, так как к началу следующего полупериода промежуток полностью деионизируется.
В области частот 1·106—1·107 Гц положительные ионы остаются в промежутке от цикла к циклу (область Л), и образующийся вследствие этого объемный заряд вызывает снижение пробивного напряжения, поскольку между электродами и объемным зарядом создаются дополнительные градиенты потенциала, которые способствуют ионизации в межэлектродном пространстве.
Плоская часть в области 2, вероятно, означает процесс равновесия между скоростью образования объемного заряда и скоростью его утечки из межэлектродного пространства.
Следующее резкое падение напряжения пробоя происходит в области около 1·108 Гц (область В), когда и электроны в течение периода изменения напряжения не успевают удалиться из пространства между электродами. Таким образом, кроме ионного объемного заряда, создается электронный объемный заряд, что способствует усиленной ионизации в пространстве между электродами. Начиная с этой области частот, процессы на катоде не играют существенной роли, поскольку электроны не успевают за полупериод изменения напряжения достигнуть его; при этом электроды только обеспечивают определенную форму поля в газе и ограничивают распространение разряда.
В последней области (область С) наблюдается возрастание пробивного напряжения с повышением частоты. По- видимому, в этой области частот электроны за время одного полупериода изменения напряжения не успевают пройти путь, достаточный для накопления энергии ионизации, и интенсивность ионизации за счет столкновений электронов с молекулами уменьшается. Следовательно, для увеличения ударной ионизации надо повысить величину прикладываемого к электродам напряжения.
Для уменьшения разбросов в величинах измеряемых высокочастотных напряжений следует применять облучение разрядного промежутка.
Теория и методика измерения напряжений высокой частоты с помощью разрядников разработаны недостаточно, имеющиеся данные часто противоречивы. Необходимы дополнительные исследования и систематизация имеющихся данных с целью установления стандарта на измерение напряжений высокой частоты, особенно при больших межэлектродных расстояниях.
