1.1. Шаровые измерительные разрядники

Для измерения постоянных, переменных и импульсных напряжений с длительностью фронта не менее 10 ^–6с используется зависимость пробивного напряжения воздушных промежутков от расстояния между электродами. При соблюдении определенных условий этот метод обеспечивает достаточно высокую точность измерений.

При измерениях используют промежутки с электрическим полем, близким к однородному, чаще всего между электродами шар – шар. Для шаровых разрядников существуют градуировочные таблицы, дающие связь расстояния между электродами и пробивного напряжения при различных видах напряжения (ГОСТ 17512-72). Следует отметить, что эта зависимость линейна при изменении промежутка между шарами до величины, не превышающей радиус шара (S 0,5D). Погрешность измерений переменных и импульсных напряжений при соблюдении нормированных условий экспериментов не превышает 3%, а постоянных напряжений – 5%. Несколько большая стабильность пробивных напряжений наблюдается в промежутках стержень ‑ стержень, однако измерительные промежутки стержень‑стержень не нашли широкого применения, поскольку пробивное напряжение нелинейно зависит от длины промежутка.

Для измерений высоких напряжений в лабораториях используют сплошные или полые медные шары диаметром от 2 до 200 см с гладкой поверхностью и допустимым отклонением диаметра в любом направлении не более 1% . Шаровые разрядники устанавливаются вертикально или горизонтально, один шар заземляется. Расстояние между шарами должно быть установлено с погрешностью не выше 0,5%.

Нормированы минимальные расстояния до окружающих предметов и расположение места присоединения высокого напряжения. Для вертикально расположенного разрядника минимальные допустимые расстояния до окружающих предметов B и требования, предъявляемые к конструкции разрядника, приведены на рис. 1.1 и в таблице 1.1. При напряжениях и больших D измерительный шаровой разрядник требует значительного пустого пространства в лаборатории, поэтому выше 10⁶ В их не применяют. При измерениях шаровым разрядником для исключения замыкания источника напряжения на землю при пробое для снижения тока КЗ разрядника используется токоограничивающий резистор R.

Средняя пробивная напряженность электрического поля зависит от расстояния между шарами S, диаметра шаров D и вида воздействующего напряжения. При переменном, постоянном и импульсном стандартном (1,5/50 мкс) напряжении отрицательной полярности разрядные напряженности практически совпадают. При положительной полярности импульсного напряжения пробивные напряженности при больших D и S оказываются несколько выше. Пробивные значения шаровых разрядников в зависимости от диаметра шаров и расстояния между ними приводятся в таблицах ГОСТа.

Рисунок 1.1. Расположение измерительных шаровых разрядников.

Нормированные расстояния a и b (рис. 1.1) для шаровых разрядников

Таблица 1.1.

Диаметр шаров D, см	Высота подвески верхнего шара A	Наименьшее допустимое расстояние B
		S 0,5D	0,5D<S< 0,75D
До 6,25 10‑15 25 50‑75 100 150‑200	(7‑9) D (6‑8) D (5‑7) D (4‑6) D (3,5‑5) D (3‑4) D	14S 12S 10S 8S 7S 6S	7D 6D 5D 4D 3,5D 3D

Для уменьшения статистического разброса пробивных напряжений рекомендуется при измерениях напряжений ниже 50 кВ или при диаметре шаров менее 12,5 см радиоактивное или ультрафиолетовое облучение промежутка.

Радиоактивный препарат (0,2‑0,6 мКи) размещается внутри шара, находящегося под напряжением, вблизи точки возникновения разряда. Кварцевая лампа мощностью не менее 35 Вт и с током не менее 1 А размещается на расстоянии B (таблица 1.1), причем поверхность шара, находящегося под напряжением, с которой развивается пробой, должна быть освещена.

Измерение напряжения проводится двумя способами. При первом устанавливают нужное расстояние между шарами и напряжение плавно, за время не менее 30 с поднимают до пробоя. При втором уменьшают расстояние между шарами со скоростью не выше 0,01D в секунду (где D дано в см), а при импульсном напряжении – ступенями

Рисунок 1.2. Области применения и минимальные погрешности различных устройств для измерения высоких напряжений.

Пунктирные участки - погрешность измерения.

менее 2% S до достижения 50 % пробоев между шарами, причем интервал между импульсами должен быть не менее 5 с.

Табличные данные пробивных напряжений справедливы при нормальных условиях. Влиянием влажности воздуха, отличной от нормальной, можно пренебречь. При давлении и температуре, отличающихся от нормальных, вводится поправка. Реальное значение пробивного напряжения вычисляют:

,

(1.1)

U_табл. ‑ табличное значение пробивного напряжения; p ‑ давление, Па; t–температура, С.

При измерении постоянного и переменного напряжений для снижения эрозии шаров под действием дуги и для демпфирования переходных процессов последовательно c шарами включается резистор сопротивлением от 10 кОм до 1 МОм. При измерении импульсного напряжения для предотвращения быстрого спада и колебаний напряжения на объекте последовательно с шаровым промежутком включается резистор сопротивлением не более 500 Ом при D < 200 см и не более 250 Ом при D = 200 см.

Погрешность измерений максимальных значений импульсных напряжений с помощью шарового разрядника не превышает 3% при длительности фронта более 1мкс и спаде не менее 5 мкс, а также при временах до момента среза не менее 3 мкс.