Mitkä ovat muuntimien käytännön sovellukset sähkötekniikassa

1. Välin pistokentän toimintaperiaate

Välin pistokenttä toimii kaasun purkumisperiaatteen mukaan. Kun riittävän korkea jännite annetaan kahden sähköden välille, sähködet välillä oleva kaasu ionisoituu muodostaen johtavan kanavan, ja näin syntyy pistori. Tämä prosessi on samankaltainen kuin salaman aiheuttama purkuminen pilven ja maan välillä. Kaasun ionisointi johtuu siitä, että sähkökentän voima on riittävän suuri antamaan kaasuhapon hiukkasille tarvittava energia vapautua atomien tai molekyyliden sidoksista, muodostaen vapaat elektronit ja ionit. Nämä vapaat elektronit ja ionit kiihdyttävät sähkökentän vaikutuksesta, törmäävät muihin kaasumolekyyleihin, tuottavat lisää ionisaatioprosesseja ja lopulta johtavat kaasun rikkoutumiseen ja pistorin muodostumiseen.

Paschenin lain mukaan kaasun rikkovuusjännite on kaasupaineen, sähköden välimatkan ja kaasun tyyppin funktio. Tietylle kaasulle ja paineelle on olemassa tietty suhde sähköden välimatkaan ja rikkovuusjännitteeseen. Yleisesti ottaen, mitä suurempi sähköden välimatka, sitä korkeampi rikkovuusjännite.

2. Perusmenetelmät välin pistokentän avulla jännitteen määrittämiseksi

Välin pistokentän kalibrointi

Ensinnäkin on tarpeen kalibroida välin pistokenttä tunnetulla jännitteellä. Kalibrointiin voidaan käyttää standardijännitelähdettä, kuten korkeatarkkuuden DC- tai AC-jännitelähdettä, ja yhdistää se välin pistokentän sähködeihin. Jännitettä lisätään asteittain kunnes havaitaan piston muodostuminen, ja kirjataan tämänhetkinen jännite ja vastaava sähköden välimatka. Esimerkiksi ilmaa mediaanina käyttävässä välin pistokentässä, kun sähköden välimatka on 1 mm, mittauksessa saatu rikkovuusjännite on 3 kV, jolloin saadaan kalibrointidata-piste.

Muuttaen sähköden välimatkaa ja toistamalla edellinen prosessi, voidaan saada sarja rikkovuusjännitteitä eri sähköden välimatkoille, ja piirtää sähköden välimatkan ja rikkovuusjännitteen välisen suhteen käyrä. Tämä tarjoaa kalibrointiperustan myöhemmin tuntemattoman jännitteen mittaamiseksi.

Tuntemattoman jännitteen mittaaminen

Tuntemattoman jännitteen määrittämisessä yhdistetään tuntematon jännitelähde kalibroitun välin pistokentän laitteeseen. Jännitettä lisätään asteittain kunnes havaitaan pistori. Mittaa sähköden välimatka tässä vaiheessa, ja sen jälkeen vertaa aiemmin piirrettyyn kalibrointikäyrään löytääksesi vastaava jännitearvo. Tämä jännitearvo on likimain tuntematon jännite. Esimerkiksi, kun mitataan korkeajännitteen pulssin jännitettä, jos pistori havaitaan, kun sähköden välimatka on 2 mm, ja kalibrointikäyrästä saatava jännite on 6 kV, niin korkeajännitteen pulssin jännite määritetään likimain 6 kV:ksi.

3. Varotoimet ja virhelähteet

Kaasutilanteen vaikutus: Kaasun tyyppi, paine ja kosteus voivat vaikuttaa merkittävästi rikkovuusjännitteeseen. Esimerkiksi kosteassa ympäristössä ilmaa sisältävän kaasun rikkovuusjännite laskee, koska veden höyryn määrä kasvaa. Siksi mittaamisprosessissa on pidettävä kaasutilanne mahdollisimman vakiona. Jos mahdollista, on parasta tehdä mittaukset standardipaineessa ja kuivassa ympäristössä, tai huomioida kaasutilanteen muutokset ja tehdä niihin korjauksia.

Sähköden muodon ja pintakunnan vaikutus: Sähköden muoto (esim. pallo, neula, levymuotoinen jne.) ja pintakunto (esim. pintakosteus, oksidikerrosten läsnäolo jne.) vaikuttavat myös välin pistokentän rikkovuusjännitteeseen. Eri muotoiset sähködet johtavat epätasaista sähkökentän jakautumista, mikä muuttaa rikkovuusjännitettä. Esimerkiksi neulan ja levyn välinen sähködekonfiguraatio keskittää sähkökentän neulan kärkipisteeseen, mikä tekee sille alttiimmaksi rikkoutumiselle, ja sen rikkovuusjännite on suhteellisen alhainen. Sähköden pintakosteus ja oksidikerrokset voivat imeä kaasumolekyylejä tai muuttaa sähkökentän jakautumista. Siksi mittaamisprosessissa on varmistettava sähköden muodon ja pintakunnan yhdenmukaisuus, tai otettava nämä tekijät huomioon ja tehtävä niihin korjauksia.

 Mittaustarkkuuden rajat: Jännitteen mittaaminen välin pistokentällä on suhteellisen karkea menetelmä, ja sen tarkkuus on rajoitettu useilla tekijöillä. Edellä mainittujen kaasutilanteen ja sähköden tekijöiden lisäksi, pistori itsessään on tilapäinen ja hieman satunnainen prosessi, jota on vaikea tarkasti hallita ja mitata. Lisäksi korkeajännitteilmoituksissa voi tapahtua useita purkumisia tai jatkuvia arkkuja, mikä vaikuttaa myös mittaustulosten tarkkuuteen. Siksi tätä menetelmää yleensä käytetään vain jännitteen karkeaan arviointiin eikä korkean tarkkuuden jännitteen mittaamiseen.