69国内精品一区二区三区 高压绝缘电气设备的高电压击穿实验介绍

电力系统中的高压 电气 设备，除了承受长时期的工作 电压 作用外，在运行过程中，还可能会承受短时的过 电压 和操作过 电压 的作用。高压试验就是用来检验高压 电气 设备在过 电压 和操作过 电压 作用下的 绝缘 性能或保护性能。由于高压试验本身的复杂性等原因， 电气 设备的交接及预防性试验中，一般不要求进行高压试验。

电压 试验采用全波 电压 波形或截波 电压 波形，这种 电压 持续时间较短，约数微秒至数十微秒，它可以由 电压 发生器产生；操作 电压 试验采用操作 电压 波形，其持续时间较长，约数百至数千微秒，它可利用 电压 发生器产生，也可利用变压器产生。许多高 电压 试验室的 电压 发生器既可以产生 电压 波，也可以产生操作 电压 波。本节仅将产生全波的 电压 发生器作一简单的介绍。

电压 发生器是产生 电压 波的装置。如前所述， 电压 波形是一个很快地从零上升到峰值然后较慢地下降的单向性脉冲 电压 。这种 电压 通常是利用高压电容器通过球隙对电阻电容回路放电而产生的。图 3-27给出了 电压 发生器的两种基本回路：回路1见图3-27(a)和回路2见图3-27(b)。

图3-27中的主电容C ₁ 在被间隙G隔离的状态下由直流电源充电到稳态 电压 U ₀ 。 当球隙 G被点火 击穿 后，主电容C ₁ 上的电荷一方面经电阻R ₂ 放电，同时C ₁ 通过R ₁ 对负荷电容C ₂ 充电，在被试品上形成上升的 电压 波前。当C ₂ 上的 电压 波充电达到最大值后， 反过来经 R ₁ 与C ₁ 一起对R ₂ 放电，在被试品上形成下降的 电压 波尾。被试品的电容可以等值地并入电容C ₂ 中。一般选择R ₂ 比R ₁ 大得多得多，这样就可以在C ₂ 上得到所要求的波前较短(时间常数R ₁ C ₂ 较小)而波长较长(时间常数R ₂ C ₁ 较大)的 电压 波形。输出 电压 峰值U _m 与U ₀ 之比，称为 电压 发生器的利用系数 η 。由于U _m 不可能大于由电容上的起始电荷U ₀ C ₁ 分配到(C ₁ +C ₂ )后所决定的 电压 ，即

， 故得

                     (3-20)

可见，为了提高 电压 发生器的利用系数，应该选择 C ₁ 比C ₂ 大得多。

如上所述，由于一般选择 R ₂ C ₁ ≫  R ₁ C ₂ ， 在回路2中，在很短的波前时间内，C ₁ 对R ₂ 放电时，对C ₁ 上的 电压 没有显著影响，所以回路2的利用系数主要决定于上述电容间的电荷分配，即

                         (3-21)

而在回路 1中，影响输出 电压 幅值U _m 的，除了电容上的电荷分配外，还有在电阻R ₁ 、R ₂ 上的分压作用。因此，回路1的利用系数可近似地表示为

                  (3-22)

比较式 (3-21)及式(3-22)可知， η ₂ ＞ η ₁ ，所以回路2称为高效率回路。由于回路2具有较高的利用系数，在实际的 电压 发生器中，回路2常被采用，作为 电压 发生器的基本接线方式。

下面就以图 3-28回路2为基础来分析回路元件与输出 电压 波形的关系。

为使问题简化，在决定波前时，可忽略 R ₂ 的作用，即把图 3-27回路2简化成如图3-28(a)所示。这样，C ₂ 上的 电压 可用下式表示

（3-23)

式中 τ 1——决定波前的时间常数。

根据波视在波前 T ₁ 的定义（详见第一章第四节），可知当 t =t ₁ 时， u (t ₁ )=0.3U _m ； t =t ₂ 时， u (t ₂ )=0.9U _m 。即

或 （ 3 - 24 ）

及

或 （ 3 -25 ）

式（ 3 -24 ）除以式（ 3 -25 ）得

而波前时间

                                  (3-26)

同样，在决定半峰值时间时可忽略 R ₁ 的作用，即把回路简化成如图3-28(b)所示。这样，输出 电压 可用下式表示

                 (3-27)

式中 τ ₂ ——决定半峰值时间的时间常数。

根据半峰值时间 T ₂ 的定义(详见第一章第四节)，可以列出方程式

由此得

         (3-28)

应当指出，式 (3-26)及式(3-28)的关系是在略去了许多影响因素(其中包括回路电感的影响)以后近似推出的。根据较详细的分析计算和在实际装置上测量校验的经验，推荐使用下述修正的公式。

  (3-29)

当回路电感较大时，上式中的系数取较小的值。上述两个公式可以用来计算 电压 发生器的参数和调整 电压 发生器的输出 电压 波形。

由于受到整流设备和电容器额定 电压 的限制，单级 电压 发生器的最高 电压 一般不超过 200～300kV。但实际的 电压 试验中，常常需要产生高达数千千伏的 电压 ，就只有多级 电压 发生器才能做到了。多级 电压 发生器的工作原理简单说来就是利用多级电容器在并联结线下充电，然后通过球隙将各级电容器串联起来放电，即可获得幅值很高的 电压 。适当选择放电回路中各元件的参数，即可获得所需的 电压 波形。

图 3-29所示为多级 电压 发生器的电路图。图中，先由工频试验变压器T经过整流元件V和充电电阻R _ch 、保护电阻R _b 给并联的各级主电容C ₁ ～C ₃ 充电，达稳态时，点1、3、5的电位为零；点2、4、6的电位为 - U ₀ ，充电电阻R _ch ≫ 波尾电阻R ₂ ≫ 阻尼电阻R _g ， 各级球隙G1～G4的放电 电压 调整到稍大于U ₀ 。当主电容充电完成后，设法使间隙G1点火 击穿 ，此时点2的电位由 - U ₀ 突然升到零；主电容C ₁ 经G1和R _{c h1} 放电，由于R _ch1 的阻值很大，故放电进行得很慢，且几乎全部 电压 都降落在R _ch1 上，使点1的电位升到+U ₀ 。当点2的电位突然升到零时，经R _ch4 也会对C _p4 充电，但因R _ch4 的阻值很大，在极短的时间内，经R _ch4 对C _p4 的充电效应是很小的，点4的电位仍接近于 - U ₀ ，于是间隙G2上的电位差接近于2U ₀ ，促使 G2 击穿 ，G2 击穿 后，主电容C ₁ 通过串联电路G1 — C ₁ — R _{g 2} — G2对C _p4 充电；同时又串联C ₂ 后对C _p3 充电；由于C _p4 、 C _p3 的值很小，R _{g 2} 的值也很小，故可以认为G2 击穿 后，对C _p4 、 C _p3 的充电几乎是立即完成的，点4的电位立即升到+U ₀ ，而点3的电位立即升到+2U ₀ ；与此同时，点6的电位却由于R _ch6 和R _ch5 的阻隔，仍维持在原电位-U ₀ ；于是间隙G3上的电位差就接近3U ₀ ，促使G3 击穿 。接着，主电容C ₁ 、C ₂ 串联后，经G1、G2、G3电路对C _p6 充电；再串联C ₃ 后对C _p5 充电；由于C _p5 、C _p6 极小，R _g2 、R _g3 也很小，故可以认为C _p6 和C _p5 的充电几乎是立即完成的；也即可以认为G3 击穿 后，点6的电位立即升到+2U ₀ ，点5的电位立即升到+3U ₀ 。P点的电位显然未变，仍为零。于是间隙G4上的电位差接近达3U ₀ ，促使G4 击穿 。这样，各级主电容C ₁ ~C ₃ 就被串联起来，经各组阻尼电阻R _g 向波尾电阻R ₂ 放电，形成主放电回路；与此同时，也经R ₁ 对C ₂ 和被试品电容充电，形成 电压 波的波前。

与此同时，也存在着各级主电容经充电电阻 R _ch 、阻尼电阻R _g 和中间球隙G的局部放电。由于R _ch 的值足够大，这种局部放电的速度比主放电的速度慢很多倍，因此，可认为对主放电没有明显的影响。

中间球隙 击穿 后，主电容对相应各点朵散电容 C _p 充 电 的 回 路中总存在某些寄生电感，这些杂散电容的值又极小，这就可能会引起一些局部振荡。这些局部的振荡将叠加到总的输出 电压 波形上去。为消除这些局部振荡，就应在各级放 电 回路中串入一阻尼电阻R _g ，此外，主放电回路本身也应保证不产生振荡。

电压 是非周期性的快速变化过程。因此，测量 电压 的仪器和测量系统必须具有良好的瞬变响应特性。 电压 的测量包括峰值测量和波形记录两个方面。目前常用的测量 电压 的方法有： ①测量球隙；②分压器一峰值 电压 表； ③分压器一示波器。球隙和峰值 电压 表只能测量 电压 的峰值，示波器则能记录波形，即不仅能指示 电压 的峰值，而且能显示 电压 随时间的变化过程。