Определение пробивного напряжения на импульсах

Импульсные испытания диэлектриков выполняются при воздействии различных форм импульсов, из которых наиболее часто применяются апериодические, форма которых приведена на рисунке.

Участок ОС называется передним фронтом импульса (волны) и характеризуется быстрым нарастанием напряжения от нуля до максимума. На практике установить точно начало импульса и момент, когда напряжение достигает максимального значения (точка С) трудно. Поэтому длительность фронта (τ_ф), выражающуюся в микросекундах, определяют по двум точкам, соответствующим 0,3 и 0,9 U_max. Через них проводят прямую до пересечения с осью абсцисс (t) и прямой, соответствующей амплитуде импульса. Значение τ_ф в 1,67 раза больше интервала времени, соответствующего точкам А и В.

От точки С начинается спад импульса. Длительность импульса определяют как интервал времени между приведенным началом импульса (О₁) и моментом на спаде импульса, когда напряжение уменьшится ровно вполовину (точка D).

При испытаниях диэлектриков, как правило, используют стандартный полный грозовой импульс, который должен иметь следующие параметры: τ_ф = 1,5 ± 0,2 мкс, τ_и = 40 ± 4 мкс (обозначается импульс 1,5/40 мкс).

Иногда испытания проводят «срезанным» импульсом. В этом случае при определенном значении τ_срез с помощью разрядников напряжение уменьшают резко («срезают») до нуля. τ_срез – время от условного (приведенного) начала импульса О₁ до момента среза.

Стандартный срезанный грозовой импульс представляет собой стандартный полный импульс, у которого τ_срез = 2 ÷ 5 мкс.

Импульсы могут иметь как положительную, так и отрицательную полярность.

Часто используются коммутационные импульсы напряжения, которые могут быть апериодическими или колебательными.

Эти импульсы характеризуются временем подъема импульса Т_П и длительностью импульса Т_И. Стандартный апериодический импульс имеет время подъема Т_П = 250 ± 50 мкс, длительность импульса Т_И = 2500 ± 500 мкс.

При испытаниях коммутационными импульсами за испытательное напряжение принимают максимальное значение напряжения импульса.

Пробой при импульсном напряжении может происходить на фронте импульса. Тогда за импульсное пробивное напряжение U_пр,и принимают мгновенное значение напряжения в момент пробоя.

Если пробой происходит в точке максимума U, то U_пр,и = U_max.

Пробой может произойти и при спадании импульса, «на хвосте» волны. Тогда за U_пр,и принимают U_max, а время отсчитывают от приведенного начала импульса до момента пробоя.

При определении импульсной электрической прочности к образцу прикладывают серию следующих друг за другом импульсов. Зависимость пробивного напряжения при импульсах от времени запаздывания называется вольт-секундной характеристикой.

В качестве источников импульсов используют специальные генераторы импульсных напряжений (ГИН). Принципиальная схема ГИН приведена на рисунке.

Конденсатор С₁ заряжается от источника напряжения через сопротивление R₁ до напряжения U. На это напряжение настроен шаровой разрядник П₁. Он пробивается и конденсатор С₁ разряжается на сопротивление R₃. Напряжение на образце при этом быстро возрастает, достигает максимального значения и затем постепенно спадает до нуля.

Скорость подъема напряжения U₂ на образце тем больше, чем меньше сопротивление R₂ и распределенная индуктивность схемы L (показано красным цветом на рисунке). Индуктивность L должна иметь наименьшее значение. Для этого все подводящие провода схемы необходимо делать наименьшей длины. Сопротивления должны иметь безындуктивную намотку.

Спадание напряжения определяется скоростью разряда конденсатора С₁ через сопротивление R₃.

Фронт τ_ф и длительность импульса τ_и можно определить с помощью приближенных соотношений:

τ_ф ≈ 2,7 R₂ С_x,

τ_и ≈ 0,69 R₃ С₁.

Эквивалентная емкость генератора (С₁), или емкость ГИН в ударе, - должна быть не менее чем в 10 раз больше емкости испытуемого образца С_x.

Импульсное напряжение измеряют электронным осциллографом, а также шаровым разрядником.

При проведении импульсных испытаний максимальные значения напряжений и временные характеристики должны быть измерены с высокой степенью точности. Непривычная для импульсной техники высокая точность объясняется как требованиями в отношении надежности электротехнического оборудования, так и значительной стоимостью испытуемых объектов. С одной стороны измерительные устройства не должны показывать заниженное напряжение, чтобы не повредить изоляцию, с другой – нельзя проводить испытания с завышенными показателями измерительных приборов, т.к. при этом не выполняются задачи испытаний.

Измерения осуществляются либо амплитудным вольтметром со стрелочным прибором, либо осциллографом. Осциллограф не может быть включен параллельно объекту, т.к. наибольшее напряжение, которое допустимо прикладывать к отклоняющим пластинам электронно-лучевой трубки осциллографа, не превышает обычно 1 кВ. Поэтому осциллограф включается через делитель напряжения. Применение осциллографа позволяет помимо измерения максимального значения напряжения наблюдать изменение испытательного напряжения во времени, что в некоторых случаях позволяет определить: поврежден или не поврежден объект при испытаниях.

При испытаниях важно знать не только максимальное значение напряжения, но и точную форму импульса, которая не должна искажаться в измерительной цепи. Поэтому делитель импульсного напряжения должен обладать хорошими передаточными характеристиками. Однако и при этом нет гарантии, что наблюдаемая на экране осциллографа картина в известном масштабе отображает измеряемое высокое напряжение. Наряду с самим делителем дополнительные погрешности могут вызвать подводящие провода и кабели, идущие от делителя к осциллографу.

На практике передаточные свойства системы для измерений импульсных напряжений могут быть определены экспериментально, либо расчетным путем с привлечением методов системного анализа.

Экспериментальное определение проводится на высоких частотах при сравнительно низком напряжении. При обобщении полученных результатов предполагается, что в дальнейшей работе устройства при высоком напряжении сохраняется строгая линейность характеристик элементов измерительной системы. Однако, во многих случаях это не так – может возникнуть коронный разряд, частичные разряды, термические эффекты, вызывающие нелинейность характеристик элементов устройства.

Непосредственно перед испытаниями ГИН должен быть отградуирован при включенном объекте. Градуировка должна производиться, по крайней мере, для трех расстояний между измерительными шарами, выбираемых так, чтобы разрядные напряжения были равны примерно 50, 65 и 80% требуемого уровня импульсной электрической прочности испытуемого объекта.

Для каждой установки шарового разрядника зарядное напряжение ГИН устанавливают таким образом, чтобы 50% импульсов вызвали разряды на измерительных шарах.

При испытании импульсным напряжением вначале к образцу прикладывается напряжение, составляющее примерно 60% предполагаемой величины U_пр,и. Напряжение повышают ступенями, причем на каждой ступени подаются 10 импульсов, следующих друг за другом с интервалом 1 секунда и меньше. Пробивным считается напряжение той ступени, на которой происходит пробой, независимо от количества выдержанных образцом импульсов.