5-12. КЛИДОНОГРАФ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ФИКСИРОВАНИЯ АМПЛИТУДЫ НАПРЯЖЕНИЯ
На находящейся в неравномерном поле (рис. 5-76) фото- чувствительной пластинке, обращенной эмульсией к электроду заостренной формы, после включения на электроды высокого напряжения образуется латентное (скрытое) изображение.
Рис. 5-76. Схема клидонографа.
а, b- электроды; с —изолирующая прокладка, на которой нанесен фоточувствительный слой.
После обычной обработки фотопластинки (проявлениями фиксации) на ней получается видимое изображение фигуры, вид и размеры которой при прочих равных условиях зависят от полярности, величины амплитуды напряжения и крутизны его фронта. Эти фигуры носят название фигур Лихтенберга, впервые наблюдавшего их в 1777 г. на запыленной эбонитовой пластине.
Принято называть «положительной» ту фигуру, которая получается при положительной полярности острия, и «отрицательной»— при отрицательной полярности острия. На рис. 5-77 представлены фотографии фигур Лихтенберга, полученные при приложении к острию импульсов напряжения положительной а и отрицательной б полярностей одной и той же величины. Положительные фигуры характеризуются отдельными каналами с большим количеством разветвлений, идущих под острым углом от главного. Отрицательные фигуры характеризуются радиально расходящимися из центра фигуры прямолинейными каналами. При переменном напряжении положительная и отрицательная фигуры накладываются друг на друга. Таким образом, по виду фигуры можно определить полярность волны или колебательный характер напряжения на острие.
Большая скорость распространения разряда по эмульсии. составляющая при быстром возрастании напряжения 1х108 см сек. достигается вследствие того, что в процессе образования фигур главную роль играют электроны, а не положительные ионы. Это подтверждается наблюдением образования фигур при помещении пластинок в магнитное поле, силовые липни которого направлены перпендикулярно к пластине. Искривление линий фигур Лихтенберга под действием магнитного поля соответствует отклонению электронов в магнитном поле. Электронные процессы при поверхностном разряде позволяют регистрировать с помощью фигур Лихтенберга импульсы длительностью до 4х10-8 сек.
Физическая картина образования положительных и отрицательных фигур Лихтенберга объясняется следующим образом. При некотором значении напряженности поля у острия начинается ионизация и образуется корона. Фиксация лихтенберговских фигур на фотопластинке происходит по крайней мере как следствие двух явлений: как видимой, так и невидимой радиации, возникающей вследствие ионизации электронными ударами и рекомбинации ионов, а также электронной бомбардировки солей серебра в фоточувствительной эмульсии. Фигуры Лихтенберга фиксируют поверхностный разряд в газе в неравномерном поле.
Когда острие имеет отрицательную полярность и около него создается напряженность поля, достаточная для ударной ионизации, свободные электроны движутся от острия по радиальным направлениям, производя ионизацию газовых молекул и вызывая фотохимические процессы в эмульсии.
Сравнительно малоподвижные положительные ионы образуют остающийся объемный заряд. Растущий положительный объемный заряд, наконец, достигает значения, при котором величина напряженности ноля у отрицательного электрода становится меньше необходимой для ударной ионизации, тогда прекращается рост фигуры. В этом случае положительный объемный заряд увеличивает напряженность поля непосредственно у острия, имеющего отрицательную полярность, по ослабляет ее на периферии и, таким образом, создает неблагоприятные условия для дальнейшего роста фигуры.
При положительной полярности острия свободные электроны движутся по направлению к острию, оставляя позади себя положительным объемный заряд, который является продолжением поля острия, что заставляет фигуру расти дальше. Очевидно, что условия прорастания положительной фигуры лучше, чем условия прорастания отрицательной, этим объясняется больший размер положительной фигуры.
Положительные фигуры при прочих равных условиях имеют размеры в 1,8—2 раза больше, чем отрицательные.
Явление образования фигур Лихтенберга было использовано в 1924 г. Петерсом в построенном им клидонографе (волнозаписывателе), который нашел затем широкое применение для регистрации и измерения волн перенапряжений.
До внедрения в практику высоковольтных измерений электронного осциллографа клидонограф был единственным прибором, пригодным для фиксации и оценки величины атмосферных и коммутационных перенапряжений в электрических сетях.
С помощью клидонографов были получены ценные данные о природе молнии, о величинах перенапряжений в линиях электропередачи. Ввиду простоты своего устройства и малой стоимости клидонограф и в настоящее время применяется как регистрирующий прибор.
Перед установкой в качестве измерителя напряжения клидонограф градуируется, т. е. снимается зависимость радиуса фигуры от амплитуды приложенного напряжения. На рис. 5-78 представлены кривые изменения радиуса фигур в зависимости от напряжения для волн с фронтом от 100 м до 204 км. Разброс точек при отдельных измерениях достигает для положительных фигур от ±5 до ±20% и для отрицательных фигур от ±15 до ±20%.
Наименьшее напряжение, фиксируемое клидонографом, составляет 2,5 квмакс. Наибольшее напряжение, при котором не возникают еще скользящие разряды и перекрытия по поверхности пластинки, составляет 18 квмакс.
На размеры фигуры влияют свойства регистрирующего слоя, свойства диэлектрика, его толщина, емкость прибора, качество фотоматериалов и атмосферные условия— давление, влажность. Особенно большое влияние имеет удельная емкость прибора. Хартье изменял емкость прибора или путем увеличения воздушной прослойки между нижней поверхностью диэлектрика и нижним электродом, или помещая прослойки из других диэлектриков. Он установил, что при уменьшении емкости прибора положительные фигуры увеличиваются, сохраняя свою четкость. При этом клидонограф без делителя напряжения может быть использован для целей регистрации напряжения до 60 кВ, в то же время сохраняется нижний предел измеряемого напряжения. Отрицательные фигуры при уменьшении емкости прибора уменьшаются и теряют свою четкость.
точность, получаемую при измерениях клидонографом, можно пренебречь влиянием атмосферных условий, поскольку изменение давления в пределах 100—200 мм рт. ст. и изменение относительной влажности в широком интервале (35—95%) практически не влияют на величину клидонограмм.
Радиус фигуры с возрастанием крутизны фронта волны увеличивается и практически не зависит от длины волны. При увеличении крутизны фронта каналы положительных фигур становятся менее искривленными, у отрицательных фигур образуется большее количество отдельных секторов.
Для регистрации волн перенапряжений клидонографы обычно включают по «± схеме» (рис. 5-79), предложенной Ли и Фауст. В этой схеме всякая апериодическая волна, движущаяся по линии, фиксируется одновременно как положительная и отрицательная, что дает большую точность в измерениях.
Рис. 5-78. Зависимость радиуса фигура от амплитуды волны импульса.
Клидонографы к линиям электропередачи обычно присоединяют с помощью емкостных делителей напряжения. Для этой цели используются гирлянды изоляторов и арматура для выравнивания распределения напряжения вдоль гирлянды изоляторов (рис. 5-80).
Рис. 5-79. Включение клидонографов по "+схеме."
1—линия; 2—заостренный электрод; 3— светочувствительный слой; 4— земля; 5 —плоский электрод; 6 — однородный диэлектрик.
Рис. 5-80. Схема включения клидонографа на емкостный делитель.
1 — клидонограф.
В 1938 г. А. И. Долгинов предложил подвешивать клидонограф непосредственно к проводу, находящемуся под высоким напряжением. При этом собственная емкость клидонографа включается последовательно со сравнительно малой его емкостью по отношению к земле. Таким образом, исключается необходимость в установке сравнительно дорогостоящих делителей напряжения.
Для того чтобы избежать дополнительных ошибок при измерениях, градуировку клидонографа необходимо производить совместно с делителем напряжения, стремясь в лаборатории воспроизвести ожидаемую при измерениях форму волны.
Применяемые конструкции клидонографов различаются по скорости перемещения фотопластинки относительно электродов. Различают клидонографы: 1) стационарные; 2) с медленно вращающимся барабаном; 3) с быстро вращающимся барабаном; 4) с фотопластинкой, перемещающейся толчками.
На рис. 5-81 изображен трехфазный клидонограф с медленно вращающимся барабаном конструкции высоковольтной лаборатории Томского политехнического института. Включая клидонограф на зажимы омического сопротивления, определяют падение напряжения на нем и судят о величине максимального тока.
Рис. 5-81. Трехфазный клидонограф с медленно вращающимся барабаном конструкции высоковольтной лаборатории Томского политехнического института.
Применяя особые схемы, определяют максимальную величину скорости изменения
тока молнии. Таким путем были получены ценные данные о токах молнии.
При приложении к клидонографу напряжения после его погружения в жидкий диэлектрик на фотопластинке получаются фигуры, подобные фигурам в воздухе. Это явление используется для регистрации начального напряжения коронирования электродов в жидких диэлектриках, а также для суждения об интенсивности короны в зависимости от вида и величины прикладываемого к электродам напряжения.
