Каковы практические применения трансформаторов в силовой электронике

1. Принцип работы искрового промежутка

Искровой промежуток работает на основе принципа газового разряда. Когда между двумя электродами прикладывается достаточно высокое напряжение, газ между электродами ионизируется, образуя проводящий канал, что приводит к возникновению искрового разряда. Этот процесс похож на разряд, происходящий между облаками и землей во время молнии. Ионизация газа происходит из-за того, что сила электрического поля достаточно велика, чтобы электроны в молекулах газа получили достаточную энергию для освобождения от связи атомов или молекул, образуя свободные электроны и ионы. Эти свободные электроны и ионы ускоряются под действием электрического поля, сталкиваются с другими молекулами газа, вызывая больше процессов ионизации, что в конечном итоге приводит к пробою газа и образованию искрового разряда.

Согласно закону Пашена, напряжение пробоя газа является функцией давления газа, расстояния между электродами и типа газа. При заданном типе газа и давлении существует определенная зависимость между расстоянием между электродами и напряжением пробоя. Обычно, чем больше расстояние между электродами, тем выше напряжение пробоя.

2. Основные методы использования искрового промежутка для определения напряжения

Калибровка устройства искрового промежутка

Во-первых, необходимо откалибровать искровой промежуток с использованием известного напряжения. Для этого можно использовать стандартный источник напряжения, такой как высокоточный генератор постоянного или переменного тока, и подключить его к электродам искрового промежутка. Постепенно увеличивайте напряжение до тех пор, пока не будет наблюдаться искра, и запишите значение напряжения и соответствующее расстояние между электродами. Например, для искрового промежутка с воздухом в качестве среды, когда расстояние между электродами составляет 1 мм, измеренное с помощью стандартного источника напряжения напряжение пробоя составляет 3 кВ, что дает точку калибровки.

Изменяя расстояние между электродами и повторяя вышеописанный процесс, можно получить серию данных о напряжении пробоя для различных расстояний между электродами, и построить кривую зависимости между расстоянием между электродами и напряжением пробоя. Это предоставляет основу для последующего измерения неизвестного напряжения.

Измерение неизвестного напряжения

При определении неизвестного напряжения подключите неизвестный источник напряжения к откалиброванному устройству искрового промежутка. Постепенно увеличивайте напряжение до тех пор, пока не будет наблюдаться искровой разряд. Измерьте расстояние между электродами в этот момент, а затем, используя ранее построенную калибровочную кривую, найдите соответствующее значение напряжения. Это значение напряжения примерно равно неизвестному напряжению. Например, при измерении напряжения высоковольтного импульса, если искровой разряд наблюдается при расстоянии между электродами 2 мм, и соответствующее напряжение, полученное из калибровочной кривой, составляет 6 кВ, то напряжение высоковольтного импульса определяется как приблизительно 6 кВ.

3. Меры предосторожности и источники погрешностей

Влияние условий газа: Тип, давление и влажность газа могут существенно влиять на напряжение пробоя. Например, в условиях высокой влажности увеличение содержания водяного пара в воздухе снижает напряжение пробоя газа. Поэтому в процессе измерений необходимо поддерживать условия газа максимально стабильными. Если возможно, лучше всего проводить измерения при стандартном атмосферном давлении и в сухой среде, или делать корректировки на изменения условий газа.

Влияние формы и состояния поверхности электродов: Форма (например, шарообразная, игольчатая, плоская) и состояние поверхности (например, шероховатость, наличие оксидных слоев) электродов также влияют на напряжение пробоя искрового промежутка. Различные формы электродов приводят к неравномерному распределению электрического поля, что изменяет напряжение пробоя. Например, структура игольчатого-плоского электрода имеет электрическое поле, сконцентрированное на острие игольчатого электрода, что делает его более склонным к пробою, и его напряжение пробоя относительно низкое. Шероховатость и оксидные слои на поверхности электродов могут адсорбировать молекулы газа или изменять распределение электрического поля. Поэтому в процессе измерений необходимо обеспечивать одинаковость формы и состояния поверхности электродов, или учитывать эти факторы и делать корректировки.

Ограничения точности измерений: Измерение напряжения с помощью искрового промежутка является относительно грубым методом, и его точность ограничена несколькими факторами. Помимо вышеупомянутых условий газа и факторов электродов, сам искровой разряд является мгновенным и несколько случайным процессом, который трудно точно контролировать и измерять. Кроме того, при высоких напряжениях могут происходить множественные разряды или непрерывные дуги, что также влияет на точность результатов измерений. Поэтому этот метод обычно используется для приблизительной оценки напряжения, а не для высокоточных измерений напряжения.