Лекция 4. Электростатические генераторы Общие вопросы получения и применения постоянного высокого напряжения

Постоянные высокие напряжения находят применение в различных областях техники. В электроэнергетике они применяются для испытания изоляции оборудования для линий электропередач постоянного тока, газонаполненных кабелей и кабелей с обеднено - пропитанной изоляцией, конденсаторов, вращающихся машин, исследования различных процессов пробоя различных изоляционных сред и конструкций. При испытаниях изоляции высоким постоянным напряжением существенно уменьшается вероятность повреждения бездефектной изоляции и практически полностью исключено появление мощных частичных разрядов. Кроме того, появляется возможность измерения тока утечки, тока абсорбции, снятие кривых восстанавливающегося («возвратного») напряжения слоистой изоляции, кривых саморазряда, что дает дополнительную информацию о состоянии изоляционной конструкции. Постоянные высокие напряжения широко применяются в физических экспериментах (ускорители заряженных частиц, источники нейтронов, электронные микроскопы, электронно-оптические преобразователи, фотоумножители, установки ионного легирования и т.п.), медицине (рентгеновская техника, электротерапевтические установки) и различных электротехнологиях (дымовые электрофильтры, установки для флокирования текстильных материалов, электроокраска, сепарации порошков, электропечать). Общими всех источников постоянного ВН являются:

1. кратковременная и длительная стабильность напряжения;

2. накопленная в нем энергия;

3. постоянная времени регулирования при быстрых колебаниях нагрузки или напряжения сети;

4. возможность быстро изменить полярность напряжения;

5. содержание пульсаций в постоянном ВН (полярность пульсаций, среднее арифметическое значение амплитуды, коэффициент пульсаций и относительное отклонение от среднего значения).

Средним значением пульсирующего униполярного напряжения u(t) с периодом пульсаций Т является:

(2‑0)

Периодические отклонения от среднего значения называются наложенными пульсациями или волнистостью:

, (2‑0)

где U_max и U_min – наибольшее и наименьшее значение u(t).

Пульсации обычно задаются в процентах от среднего значения и по требованиям МЭК их значение не должно превышать 5%.

Электростатические генераторы

Э лектростатические генераторы являются устройствами, в которых механическая энергия непосредственно превращается в электрическую энергию. Первые электростатические генераторы появились ещё в 17 веке и с тех пор непрерывно развиваются и совершенствуются. Принцип действия электростатических генераторов заключается в том, что носители зарядов перемещаются в направлении, противоположном направлению сил электрического поля. Пусть мы имеем плоский конденсатор с расстоянием между пластинами d₁ и ёмкостью С₁ (рис.2.1) заряженный до некоторой разности потенциалов U₁.Приложим силу F и раздвинем пластины на расстояние d₂. Пренебрегая утечкой заряда с пластин конденсатора в процессе перемещения пластин, можно записать:

(2‑0)

Напряжение на обкладках конденсатора после раздвижения пластин становится больше, поскольку емкость конденсатора уменьшается. Механическая энергия W, затраченная на перемещение пластин, непосредственно переходит в электрическую энергию заряженного конденсатора:

(2‑0)

Этот принцип превращения механической энергии в электрическую лежит в основе всех электростатических генераторов. Принципиально ограничений на величину высокого напряжения U₂ и накопленную энергию W нет. Однако, практические ограничения, связанные с утечкой заряда с высоковольтного электрода и электрической прочностью изоляции не позволяют пока получать напряжения выше 25 МВ.