Разрядников

Изоляция высоковольтных устройств, таких как, например, изоляторы, трансформаторы, коммутационная аппаратура, защитные устройства и другие должна подвергаться предварительным типовым и контрольным испытаниям высоким напряжением. Измерительные устройства, применяющиеся при этих испытаниях, значительно отличатся от измерительных устройств режимных параметров действующих электроустановок, где измерение высоких напряжений обычно производится с помощью трансформаторов напряжения или делителей напряжения.

В лабораториях при измерении испытательных напряжений приходится отказываться от применения трансформаторов напряжения вследствие того, что изготовление их для измерения напряжений, во много раз превышающих рабочие напряжения, связано с большими трудностям и значительными расходами. Поэтому для измерения высокого напряжения используются специальные измерительные устройства, в частности, шаровые разрядники. Шаровой разрядник является основным и наиболее доступным измерительным устройством в каждой научно-исследовательской и промышленной лаборатории высокого напряжения благодаря простоте устройства и практически приемлемой точности измерения, которую можно получить, соблюдая правильную методику измерения. Шаровые разрядники различных диаметров используются для измерения всего диапазона напряжений, включая самые высокие, для которых изготовление вольтметров представляет существенные трудности. Поскольку процесс разряда и величина разрядного напряжения имеют случайный характер, то измерения повторяют многократно, а затем определяют среднеарифметическое значение, которое и принимают за разрядное напряжение

Сущность измерения высокого напряжения с помощью шарового разрядника заключается в том, что разряд между двумя шаровыми электродами в воздухе происходит при определенном напряжении. Это напряжение зависит от расстояния между шарами S, от диаметра шаров D и от способа их включения. Если расстояние между шарами не превышает половины их диаметра, то при подключении напряжения к шарам электрическое поле в промежутке оказывается близким к однородному. Поэтому разрядное напряжение шарового разрядника практически совпадает с начальным при заданных условиях.

Основными схемами включения шаровых разрядников являются:

а) симметричное включение, когда оба шара находятся под напряжением относительно земли (оба шара изолированы от земли);

б) включение с заземлением одного из шаров (несимметричное включение).

Измерение с помощью шарового разрядника даёт максимальное значение (амплитуду) измеряемого напряжения. Величина напряжения, при котором произошел разряд, а следовательно, и величина измеряемого напряжения определяются по специальным таблицам в зависимости от расстояния между шарами, их диаметра и схемы включения. Данные таблиц позволяют определять разрядные напряжения, полученные при различном виде воздействия: переменном, постоянном и импульсном. В последнем случае учитывается эффект полярности при несимметричной схеме включения шаров (см. ниже). В основу современных стандартных таблиц (см. Приложение 2) положены результаты исследований в крупнейших специализированных лабораториях различных стран, обработанные МЭК. Эти таблицы являются официальным документом.

При несимметричном включении шарового разрядника наблюдается зависимость разрядного напряжения от полярности: при отрицательной полярности изолированного шара разрядное напряжение, близкое к начальному, меньше, чем при положительной полярности этого шара. Это различие объясняется тем, что электрическое поле между шарами, во-первых, несимметричное, а во-вторых, слабонеоднородное. При заземлении одного из шаров напряженность поля у поверхности изолированного шара будет больше, чем напряженность у поверхности заземленного шара. Поэтому эффективная ионизация, а значит и развитие разряда начинаются у изолированного от земли шара. При этом надо учитывать, что в условиях даже слабой неоднородности электрического поля образующийся вблизи начальной зоны ионизации положительный объёмный заряд несколько ослабляет поле у положительного электрода и усиливает у отрицательного. Поэтому начальное напряжение оказывается несколько больше при положительной полярности изолированного шара, чем при отрицательной.

При воздействии на промежуток «шар – шар» постоянного (т. е. длительно приложенного) напряжения этот эффект проявляется незначительно, и вызываемая им разница в разрядных напряжениях не превышает величину статистического разброса этих напряжений. Поэтому эффектом полярности в случае длительного воздействия напряжения на шаровой разрядник можно пренебречь. Напротив, при импульсном характере воздействующего напряжения его необходимо учитывать.

Для достижения высокой точности измерений при пользовании шаровыми разрядниками необходимо, чтобы поверхность шаров, главным образом, в той части, которой они обращены друг другу, была чистой. Шары разрядников должны быть изготовлены с такой точностью, чтобы диаметр шара отличался не более чем на ±0,1 % от требуемого, а кривизна шара, измеренная сферометром, – не более чем на ±1 % от кривизны шара данного диаметра. Стержни, на которых укреплены шары, не должны иметь диаметра, большего чем 0,2 диаметра шара. Кроме того, необходимо, чтобы пространство, в котором находится шаровой разрядник, было свободным от посторонних тел и больших поверхностей, которые могли бы исказить электрическое поле между шарами. Посторонние предметы и большие поверхности необходимо удалять от измерительного разрядника на расстояние не менее (4…5)∙ D, и ограничивать расстояние между шарами S величиной, удовлетворяющей соотношению S / D ≤; 0,75.

Все измерения шарами связаны с пробоем промежутка и возникновением колебаний. Для ослабления возникающих колебаний, а также защиты трансформатора последовательно с шаровым разрядником включается защитное сопротивление R из расчета 1 Ом на 1 В. При измерении импульсных напряжений защитные сопротивления должны быть удалены, так как они искажают результаты измерений, величина же тока короткого замыкания здесь небольшая.

Значения разрядных напряжений указаны в таблицах для нормальных атмосферных условий при 20 °С и 760 мм рт. ст., что соответствует относительной плотности воздуха δ = 1.

Если измерение производится при других атмосферных условиях, то для получения истинного разрядного напряжения между шарами необходимо ввести поправку на плотность воздуха к табличному значению разрядного напряжения. При небольших колебаниях относительной плотности воздуха (0,95–1,05) можно считать разрядные напряжения пропорциональными относительной плотности воздуха, вычисляемой по формуле

,

где р, мм рт. ст.– барометрическое давление; t, °С – температура воздуха.

Поле между шарами при измерениях остаётся близким к однородному, поэтому влияние влажности воздуха незначительно (менее 1 %), и его можно не учитывать.

Таким образом, действительное разрядное напряжение, измеряемое при иных атмосферных условиях, чем нормальные, можно определить как

U _p=δ∙ U _р0,

где U _р0 – табличное разрядное напряжение.

6. Метод градуировки испытательного трансформатора

При массовых, типовых или контрольных испытаниях широко пользуются методом градуировки испытательного трансформатора. Этот метод позволяет проводить высоковольтные испытания без пробоя, так как не все высоковольтные устройства допускают пробой изоляционного промежутка, что очень часто ведёт к выходу из строя их изоляции.

Градуировка испытательного трансформатора сводится к установлению зависимости между напряжением на испытуемом объекте, то есть напряжением на вторичной стороне градуируемого трансформатора U ₂, и напряжением на первичной стороне этого трансформатора U ₁.

В ходе градуировки выставляется определённое расстояние между шарами разрядника. Разрядник подключается к обмотке высокого напряжения испытательного трансформатора. Его первичная обмотка подключается к вторичной обмотке трансформатора с регулируемым коэффициентом трансформации (обычно в качестве такового используется автотрансформатор), первичная обмотка которого включается в питающую сеть. Оператор с помощью органов регулировки постепенно увеличивает напряжение на первичной обмотке градуируемого трансформатора до момента пробоя разрядника, фиксируя с помощью вольтметра напряжение U ₁ на этой обмотке непосредственно перед пробоем шарового разрядника. При этом, очевидно, вторичное напряжение градуируемого трансформатора U ₂ равняется пробивному напряжению разрядника U _р. Последнее определяется с помощью стандартной таблицы по выставленному расстоянию между шарами. Измерения подобным образом проводят при разных расстояниях между шарами разрядника, чтобы выполнить градуировку испытательного трансформатора в требуемом диапазоне напряжений. По полученным данным строится градуировочная кривая, т. е. кривая зависимости напряжения U ₂ от напряжения U ₁. Если имеется такая градуировочная кривая, то для определения напряжения на испытуемом объекте достаточно измерить с помощью вольтметра напряжение на первичной стороне испытательного трансформатора и найти по градуировочной кривой соответствующее значение напряжения на вторичной стороне этого трансформатора, которое и является приложенным к испытуемому объекту.

Если измерения проводить при условии наступления пробоя испытуемой изоляции, то найденное таким образом напряжения будет являться разрядным для данной изоляции.

Градуировку испытательного трансформатора всегда следует производить при подключенном испытуемом объекте или каком-либо другом объекте, создающем в испытательной цепи нагрузку такого же порядка, что и нагрузка испытуемого объекта. Это требование связано с тем, что напряжение на высокой стороне испытательного трансформатора значительно меняется с изменением нагрузки, тем более что в большинстве случаев при высоковольтных испытаниях нагрузка носит емкостной характер.

Аналогично проводится градуировка испытательной установки постоянного высокого напряжения, в состав которой обычно также входят автотрансформатор, высоковольтный трансформатор и выпрямитель.

Нахождение этих значений осуществляется в следующей последовательности.

1. Установить положительную полярность на выходе ГИН-1500.

2. Испытуемый объект ИО (промежуток «стержень – плоскость») и измерительный шаровой разрядник ШР включить параллельно и установить между электродами обоих промежутков достаточно большое расстояние.

3. Согласно методике, изложенной в разделе «Измерения с помощью шаровых разрядников» описания работы № 4 «Импульсная прочность изоляции», определить и построить графически зависимость пятидесятипроцентного разрядного напряжения U _50% изоляции ИО от расстояния S между электродами – U _50% = f (S). Диапазон изменения расстояния S задаётся преподавателем.

4. Установить между электродами искровых промежутков ИО и ШР достаточно большое расстояние. С помощью органов управления настроить ГИН на импульс с такой амплитудой, которая, с одной стороны, не должна превосходить наибольшей величины, имевшей место при выполнении п.3, а с другой стороны, импульс не должен вызывать пробоя установленных промежутков ИО и ШР.

5. Уменьшая расстояние между шарами ШР, добиться того, чтобы полученный импульс стал пятидесятипроцентным для промежутка «шар – шар». В тех случаях, когда промежуток ШР пробивается, импульс имеет срезанную форму, причем его срез происходит при амплитуде импульса (или в её небольшой окрестности), что объясняется формой ВСХ промежутка «шар – шар». Длительность таким образом срезанного импульса, как известно, составляет 2…3 мкс. Для определённости его длину будем полагать равной 2 мкс.

6. Определить амплитуду импульса с помощью таблицы Приложения 2.

7. Незначительно уменьшить расстояние между шарами. После этого промежуток будет пробиваться при каждом срабатывании ГИН (т. е. все генерируемые импульсы будут срезанными), однако с некоторой погрешностью их длительность и амплитуду можно считать такими же, как они были приняты в п. п. 5 и 6.

8. Уменьшая расстояние между электродами ИО, добиться того, чтобы разряды в промежутках ШР и ИО происходили с одинаковой интенсивностью. Зафиксировать установленное расстояние S ^' между электродами ИО.

Требование равного соотношения разрядов объясняется тем, что в этом случае ВСХ обоих промежутков пересекаются с импульсом в той же точке, где происходит его срез. Так определяются координаты второй характерной точки ВСХ изоляционного промежутка ИО: напряжение U _р2 = U _{2 m} – значение, полученное в п. 6, время разряда t _р = 2 мкс.

9. Исходя из того, что импульс пятидесятипроцентного разрядного напряжения пробивает промежуток с резконеоднородным полем («стержень – плоскость») через 6…10 мкс, для установленного в п. 8 расстояния S ' определить координаты первой характерной точки ВСХ с помощью графика U _50% = f (S): U _р1= U _50%(S ') и t _р1 = 6…8 мкс (в зависимости от указаний преподавателя).

10. Подставить найденные координаты точек (U _р1, t _р1) и (U _р2, t _р2) в выражение ВСХ и, решив систему уравнений, найти постоянные А и Т.

Рис. П1.1

Рис. П1.2

Рис. П1.3

11. Построить искомую ВСХ изоляционного промежутка ИО при расстоянии между электродами S ' в диапазоне значений времён разряда t _р =0,2…10 мкс.

Чтобы получить ВСХ для других межэлектродных расстояний ИО, необходимо провести серию опытов по п. п. 4 – 8 при разных амплитудах воздействующего импульса. По результатам эксперимента построить график зависимости U _2m% = f (S) на той же координатной плоскости, что и график U _50% = f (S) (см.п. 3). Затем, выбирая произвольно межэлектродное расстояние S, достаточно просто можно определить соответствующие ему постоянные А и Т.

Краткое изложение описанной методики с приведением поясняющих графиков представлено на рис. П1.1 – П1.3.