Измерения высоких напряжений

Для проведения в лабораториях испытаний изоляции и экспериментальных исследований в области изоляции и разрядных процессов в изоляционных средах необходимы не только источники высоких напряжений и больших токов, но и разнообразные измерительные устройства. Для высоковольтных измерений используются шаровые разрядники, делители напряжений, амплитудные вольтметры, токовые шунты, а также широко — и узкополосные трансформаторы тока и т. п.

Между электродами измерительной системы. Под воздействием приложенного напряжения к электродам, образующих высоковольтный конденсатор, между ними возникает сила F, стремящаяся сблизить их. Перемещение подвижной пластины 3 уравновешивается механической силой системы ее крепления. Эта сила пропорциональна квадрату напряжения.

F=К где К — коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров электродной системы. Металлическое зеркало, соединенное с подвижной системой пластины 3, позволяет регистрировать величину отклонения светового луча от лампы 6 на шкале 4, отградуированной в киловольтах. К этому классу киловольтметров относятся, например, С-96, С-100, С-101. [2].

Рассмотренные приборы имеют относительно малую погрешность измерения, небольшую входную емкость и позволяют измерять действующее значение напряжения и постоянное напряжение в пределах до 300 кВ.

Измерение основано на использовании зависимости пробивного напряжения воздушного промежутка между шаровыми электродами от расстояния между ними. Для измерения следует использовать промежутки с однородным или слабонеоднородным полем, в которых напряжение пробоя имеет линейную зависимость от расстояния.

Шаровые разрядники позволяют измерять высокое напряжение в широком диапазоне величин — от единиц киловольт до нескольких мегавольт.

Шаровые разрядники устанавливаются вертикально или горизонтально. При вертикальном расположении нижний шар всегда заземляется. Чтобы погрешность измерения не превышала ± 3% необходимо соблюдать условия:

S? 0,5D.

где D — диаметр шаров, а S — расстояние между ними.

Кроме этого, расстояние до окружающих предметов не должно быть меньше установленного норматива. Поэтому шаровые разрядники при больших диаметрах требуют значительного пространства. В связи с этим приходится отказываться от их применения в установках с напряжением выше 1000 кВ.

При измерении постоянных и переменных напряжений, с целью снижения эрозии поверхности шаров и для демпфирования колебаний в цепи разряда, последовательно с шарами включается сопротивление от 10 кОм до 1 Мом.

Методика измерения постоянных и переменных напряжений состоит в следующем. После подключения шаровых разрядников к источнику измеряемого напряжения изменяют расстояние между ними до возникновения пробоя промежутка.

Для измерения переменного и импульсного напряжения применяют емкостно-выпрямительные схемы.

При измерении переменного напряжения ток протекает в течение полупериода через вентиль и гальванометр, а в течение другого полупериода через вентиль. Средний ток через гальванометр за период будет равен.

Iср = Q/T.

где Q= 2СUm — интеграл тока за период Т.

Следовательно, величина амплитудного значения напряжения.

Um = кIср где к — коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и величины емкости конденсатора.

Погрешность измерения будет зависеть от точности измерения величины емкости и частоты напряжения, а также от конечного значения сопротивления вентиля в открытом и закрытом состоянии. Кроме этого, погрешность зависит от наличия высших гармоник в кривой тока и напряжения.

Другой разновидностью устройства для измерения амплитудного значения переменного напряжения является схема амплитудного вольтметра (пик — вольтметра). Рассмотренные приборы имеют относительно малую погрешность измерения, небольшую входную емкость и позволяют измерять действующее значение напряжения и постоянное напряжение в пределах до 300 кВ.

Шаровой измерительный разрядник весьма широко используется для измерения высоких напряжений благодаря простоте устройства и приемлемой для практики точности, которую можно получить при правильной методике измерения с соблюдением определенных требований.

Параллельно плечу низкого напряжения емкостного делителя С1 — С2 подключается через вентиль V конденсатор Си. Напряжение на измерительном конденсаторе может быть измерено вольтметром электростатической системы или электронным вольтметром с большим входным сопротивлением.

При измерении амплитудными вольтметрами возникает погрешность, связанная с неидеальностью элементов измерительной схемы: конечное значение сопротивления вентиля в открытом и закрытом состоянии и конечное значение сопротивления Rу.

Кроме этого, возникает погрешность, связанная с влиянием схемы измерения на коэффициент деления делителя. Снижение этой погрешности можно добиться, соблюдая условие Си С2.

Применение высоких переменных напряжений Высокое напряжение используется в электрофизических установках для решения задач мощной импульсной энергетики: ускорителях пучков заряженных частиц, мощных лазерах, установках управляемого термоядерного синтеза. Высокое напряжение применяется в технологических процессах, таких как электросепарация, электрофильтрация, электроокраска, магнитоимпульсная обработка, электрогидравлическая штамповка, плазмохимия, получение озона. Особая роль принадлежит такой быстроразвивающейся области нанотехнологии как синтез наноструктурных материалов с новыми свойствами. Синтез таких материалов проводится в специальных установках при воздействии концентрированных потоков энергии в виде потоков плазмы и пучков заряженных частиц, основным узлом которых является высоковольтный импульсный генератор.