Измерение амплитудных значений шаровым разрядником основано на том, что при стандартизованном расположении электродов и определенных внешних условиях разброс пробивных напряжений шарового измерительного промежутка невелик.
Процессы, возникающие при разряде, очень сложны и не могут быть здесь подробно рассмотрены. В этом и нет необходимости, так как собственно механизм разряда подробно описан во многих источниках (например, [Л. 162—164]). Здесь следует только указать, что для измерения высоких напряжений пригодны только такие разрядные промежутки, у которых начальное напряжение (возникновение самостоятельного разряда) и разрядное напряжение (напряжение искрового пробоя) мало отличаются между собой. Исключение составляет искровой промежуток стержень — стержень, который согласно исследованиям, проведенным в последние годы Е. Фешке, имеет при измерении постоянных высоких напряжений незначительный разброс значений пробивной прочности и большую линейность зависимости пробивного напряжения от расстояния между электродами, чем описанные ниже шаровые разрядники.
Шаровые электроды разрядника могут быть расположены вертикально или горизонтально (рис. 86 и 87 по [Л. 169]).
Рис. 86. Стандартное расположение шарового разрядника при вертикальной установке (по МЭК).
1- изолятор; 2-стержень шара; 3- устройство для регулирования разрядного расстояния; 4-подвод высокого напряжения с демпфирующим сопротивлением; 5 — кольцо; Р — точка пробои; S' — промежуток между шарами; А — расстояние точки пробоя от заземленного основания; В — необходимое защитное пространство; X — граничная плоскость, за пределы которой не должен проходить подвод высокого напряжения.
Пользование шаровым разрядником сложно и трудоемко; кроме того, каждый его пробой требует отключения источника напряжения, а возникающие при пробое колебания напряжения приводят к перенапряжениям на изоляции. Поэтому шаровые разрядники обычно применяют только для градуировки других измерительных устройств.
Градуировку производят при напряжениях, меньших испытательного (для объекта), но близких к нему, и полученную таким образом градуировочную кривую экстраполируют до значений, несколько превышающих испытательное напряжение. В течение дальнейших измерений шаровой разрядник чаще всего оставляют в схеме, при этом пробивной промежуток устанавливают равным 1,1—1,2 от значения, соответствующего испытательному напряжению, и он служит в качестве защитного искрового промежутка. Следует иметь в виду, что снятая градуировочная кривая может оказаться недостоверной, если в схеме произошли изменения.
Рис. 87. Стандартное расположение шарового разрядника при горизонтальной установке (по МЭК). Обозначения те же, что на рис. 86.
Таким изменением схемы может быть, например, отключение шарового разрядника после градуировки, так как тем самым одновременно отключается его емкость, присоединенная параллельно испытуемому объекту.
Емкость шарового разрядника (Ф) может быть вычислена с достаточной точностью по формуле [Л. 165] 
где S —промежуток между шарами, см; f— геометрический коэффициент, значение которого может быть найдено из зависимости его от отношения промежутка между шарами к радиусу шара, приведенной на рис. 88.
При этом f=f1, когда к шарам приложено Напряжение, симметричное по отношению к земле. Если же один из двух шаров заземлен, то f=f2. Обычно шаровые разрядники имеют емкости от 1 до 50 пФ. Таким образом, не составляет труда определить, можно ли пренебречь емкостью шарового разрядника по сравнению с емкостью испытуемого объекта.
При односторонне заземленном шаровом разряднике окружающие его соседние предметы, имеющие потенциал земли, вызывают изменение электрического поля так, что напряженность поля у незаземленного шара получается больше, и у заземленного — меньше, чем при симметричном включении. Это можно объяснить тем, что силовые линии поля, исходящие из незаземленного шара, заканчиваются только частично на заземленном шаре, а остальные силовые линии заканчиваются па соседних заземленных предметах. Влияние окружающих предметов имеет особое значение при больших шаровых промежутках [Л. 171, 175]. Все Искровые промежутки с несимметричным распределением электрического поля имеют эффект полярности. У шаровых разрядников это явление заметно при промежутках S>0,5r [Л. 166, 167].
Рис. 88. Кривые зависимости геометрического коэффициента f от отношения промежутка между шарами S к радиусу шара r (а); начальный участок кривых (б).
При переменных напряжениях низкой частоты и постоянных напряжениях по величине шарового промежутка в момент разряда можно судить о значении приложенного напряжения.
При измерении кратковременных импульсных напряжений и в некоторых особых случаях возможна значительная разница между действительными амплитудными значениями напряжения и значениями статического разрядного напряжения (т. е. разрядного напряжения при переменных напряжениях низкой частоты и постоянных напряжениях), определенных по величине шарового промежутка. Возникновение начальных условий для независимого разряда в газе следует статистическому закону. Если во время весьма кратковременного импульса напряжения нет начальных электронов, то пробой не происходит даже тогда, когда амплитудное значение импульса больше статического разрядного напряжения искрового промежутка. Подробные сведения об этом эффекте можно найти в литературе по импульсной прочности газообразных, жидких и твердых изоляционных материалов [Л. 17, 177].
Измерение напряжения шаровым разрядником производится или при постоянно установленном высоком напряжении и последующем постепенном уменьшении величины промежутка между шарами, первоначально устанавливаемого слишком большим, или при неизменном шаровом промежутке и повышении напряжения до пробоя. В первом случае величину промежутка нужно изменять не более чем на 1 % диаметра шара в секунду, а во втором случае напряжение должно достигать разрядного значения не ранее чем через 30 с. По нескольким следующим друг за другом значениям, имеющим небольшой разброс, определяют значение напряжения. При измерениях импульсных напряжений изменяют или величину промежутка, или амплитуду импульса до тех пор, пока 50% всех импульсов не приведут к пробою (50%-ное импульсное разрядное напряжение) [Л. 181]. Из большого числа измерений, проведенных в разных странах, были определены стандартизованные значения разрядных напряжений [Л. 168, 169], которые при упомянутых выше условиях воспроизводятся с определенной точностью. Нормируемые МЭК и стандартами стран табличные значения справедливы с точностью ±3% для переменных напряжений при условии S≤r; для постоянных напряжений с точностью ±5% для S≤0,8r. Значения для положительного и отрицательного импульсного напряжения с фронтом не менее 50 мкс справедливы с точностью ±3% для S≤r*.
* Принятые в СССР таблицы для шаровых промежутков приведены в ГОСТ 1516-68; значения, которые даны в скобках, имеют меньшую точность. Прим. ред.
Упомянутая выше точность измерения обеспечивается только при соблюдении условий, которые подробно изложены в указаниях стандартов и норм МЭК [Л. 168, 169]. Краткое описание важнейших правил дается ниже. Напряжение подводится к стержню шара на расстоянии, равном не менее чем двум радиусам шара.
На промышленной частоте для демпфирования переходных процессов, обусловленных формирующимся разрядом, и с целью уменьшения обгорания шара последовательно с шаровым разрядником включают активное сопротивление величиной от 10 кОм до 1 МОм. При частотах больше 1 000 Гц величину добавочного сопротивления следует уменьшать пропорционально частоте. Добавочное сопротивление и емкость шарового разрядника образуют частотнозависимый делитель напряжения. Максимально допустимое добавочное сопротивление зависит от емкости шарового разрядника. Необходимо позаботиться о том, чтобы в пределах желаемой точности измерений, значение R было достаточно мало по сравнению со значением 1/wС, и тогда передаточное отношение делителя близко к 1. Влияние на результаты измерений высокочастотных колебаний, наложенных на низкочастотные напряжения, подробно рассмотрено в [Л. 179, 180].
При измерениях импульсных напряжений добавочное сопротивление демпфирует переходные процессы, возникающие вследствие быстрых изменений тока и напряжения при пробое разрядника, которые могут повредить испытуемому объекту. Наиболее употребительное значение добавочного сопротивления около 500 Ом. При сравнительно малой емкости шарового разрядника можно применять и большие значения. Собственная постоянная времени шарового разрядника с добавочным сопротивлением должна быть достаточно мала по сравнению с крутизной фронта измеряемого импульса.
При измерении напряжений с амплитудным значением ниже 50 кВ шарами всех размеров и в каждом случае при измерении шарами диаметрами 12,5 см и менее необходимо дополнительное облучение шарового искрового промежутка. Это дает возможность получать результаты измерений с малым разбросом [Л. 176]. Создание начальных электронов путем облучения может производиться:
радиоактивным препаратом, который находится внутри находящегося под напряжением шара вблизи его точки пробоя; радиоактивность должна быть не менее 0,2 мКюри (желательно 0,6 мКюри);
ртутной кварцевой лампой, установленной На расстоянии В от шарового разрядника так, чтобы свет падал на точку пробоя шара; согласно рекомендациям МЭК мощность и ток ртутной кварцевой лампы должны быть не менее 35 Вт и 1 А;
рентгеновской трубкой, располагаемой аналогично кварцевой лампе или радиоактивному изотопу.
Способы облучения радиоактивным препаратом или рентгеновской трубкой не нашли широкого применения и используются только при исследовательских работах. Это объясняется необходимостью эффективных защитных мер при обращении с радиоактивными препаратами и рентгеновскими трубками, что весьма сложно.
Разрядное напряжение шарового разрядника пропорционально относительной плотности воздуха δ, которая в свою очередь зависит от температуры воздуха θ и его давления р:
где р измеряется в мбар и θ — в °C, или
где р — в Торр и ϋ — в °C.
Стандартные табличные разрядные напряжения даны для нормальных атмосферных условий при 20 °C и 1 013 мбар (760 Торр), при которых относительная плотность воздуха δ=1. Поэтому при других значениях относительной плотности воздуха они должны быть пересчитаны. Чтобы получить действительные значения разрядных напряжений U'раз, нужно значение разрядного напряжения Uраз, взятое из таблицы стандарта, умножить на пересчетный коэффициент k, взятый в зависимости от величины δ и приведенный ниже:
Влажность воздуха в пределах желаемой точности практически не оказывает никакого влияния на разрядное напряжение.
Как следует из приведенных выше данных, шаровые разрядники довольно чувствительны к воздействию внешних полей и к соседним предметам, имеющим потенциал земли. Согласно проведенным теоретическим и экспериментальным исследованиям [Л. 170, 171] на устройство, показанное на рис. 89, соседние заземленные стены и приборы влияют значительно меньше. Поэтому для него нужно меньшее защитное пространство. Разрядное напряжение искрового промежутка шар — полушарие примерно на 5% ниже значений, получающихся у нормального шарового разрядника при S—r. При меньших шаровых промежутках эти отклонения соответственно меньше. Некоторые авторы дают поправочные коэффициенты, при помощи которых для искрового промежутка шар — полушарие удается использовать стандартные таблицы для нормального шарового разрядника.
Искровые промежутка с' перекрещивающимися цилиндрическими электродами также сравнительно нечувствительны к влиянию внешних полей [Л. 172]. Одновременно они имеют еще и то преимущество, что электроды сравнительно легко установить очень точно. Недостатком их является необходимость в большой площади высоковольтного зала, так как длина цилиндров должна быть примерно в 5 раз больше разрядного промежутка.
