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高壓絕緣電氣設備的高電壓擊穿實驗介紹
閱讀：480發布時間：2024-4-1
電力系統中的高壓電氣設備，除了承受長時期的工作電壓作用外，在運行過程中，還可能會承受短時的過電壓和操作過電壓的作用。高壓試驗就是用來檢驗高壓電氣設備在過電壓和操作過電壓作用下的絕緣性能或保護性能。由于高壓試驗本身的復雜性等原因，電氣設備的交接及預防性試驗中，一般不要求進行高壓試驗。
電壓試驗采用全波電壓波形或截波電壓波形，這種電壓持續時間較短，約數微秒至數十微秒，它可以由電壓發生器產生；操作電壓試驗采用操作電壓波形，其持續時間較長，約數百至數千微秒，它可利用電壓發生器產生，也可利用變壓器產生。許多高電壓試驗室的電壓發生器既可以產生電壓波，也可以產生操作電壓波。本節僅將產生全波的電壓發生器作一簡單的介紹。
電壓發生器是產生電壓波的裝置。如前所述，電壓波形是一個很快地從零上升到峰值然后較慢地下降的單向性脈沖電壓。這種電壓通常是利用高壓電容器通過球隙對電阻電容回路放電而產生的。圖3-27給出了電壓發生器的兩種基本回路：回路1見圖3-27(a)和回路2見圖3-27(b)。
圖3-27中的主電容C1在被間隙G隔離的狀態下由直流電源充電到穩態電壓U0。當球隙G被點火擊穿后，主電容C1上的電荷一方面經電阻R2放電，同時C1通過R1對負荷電容C2充電，在被試品上形成上升的電壓波前。當C2上的電壓波充電達到最大值后，反過來經R1與C1一起對R2放電，在被試品上形成下降的電壓波尾。被試品的電容可以等值地并入電容C2中。一般選擇R2比R1大得多得多，這樣就可以在C2上得到所要求的波前較短(時間常數R1C2較小)而波長較長(時間常數R2C1較大)的電壓波形。輸出電壓峰值Um與U0之比，稱為電壓發生器的利用系數η。由于Um不可能大于由電容上的起始電荷U0C1分配到(C1+C2)后所決定的電壓，即
， 故得
(3-20)
可見，為了提高電壓發生器的利用系數，應該選擇C1比C2大得多。
如上所述，由于一般選擇R2C1? R1C2，在回路2中，在很短的波前時間內，C1對R2放電時，對C1上的電壓沒有顯著影響，所以回路2的利用系數主要決定于上述電容間的電荷分配，即
(3-21)
而在回路1中，影響輸出電壓幅值Um的，除了電容上的電荷分配外，還有在電阻R1、R2上的分壓作用。因此，回路1的利用系數可近似地表示為
(3-22)
比較式(3-21)及式(3-22)可知，η2＞η1，所以回路2稱為高效率回路。由于回路2具有較高的利用系數，在實際的電壓發生器中，回路2常被采用，作為電壓發生器的基本接線方式。
下面就以圖3-28回路2為基礎來分析回路元件與輸出電壓波形的關系。
為使問題簡化，在決定波前時，可忽略R2的作用，即把圖3-27回路2簡化成如圖3-28(a)所示。這樣，C2上的電壓可用下式表示
（3-23)
式中 τ1——決定波前的時間常數。
根據波視在波前T1的定義（詳見第一章第四節），可知當t=t1時，u(t1)=0.3Um；t=t2時，u(t2)=0.9Um。即
或 
（3-24）
及 
或 
（3-25）
式（3-24）除以式（3-25）得
而波前時間
(3-26)
同樣，在決定半峰值時間時可忽略R1的作用，即把回路簡化成如圖3-28(b)所示。這樣，輸出電壓可用下式表示
(3-27)
式中τ2——決定半峰值時間的時間常數。
根據半峰值時間T2的定義(詳見第一章第四節)，可以列出方程式
由此得
(3-28)
應當指出，式(3-26)及式(3-28)的關系是在略去了許多影響因素(其中包括回路電感的影響)以后近似推出的。根據較詳細的分析計算和在實際裝置上測量校驗的經驗，推薦使用下述修正的公式。
(3-29)
當回路電感較大時，上式中的系數取較小的值。上述兩個公式可以用來計算電壓發生器的參數和調整電壓發生器的輸出電壓波形。
由于受到整流設備和電容器額定電壓的限制，單級電壓發生器的最高電壓一般不超過200～300kV。但實際的電壓試驗中，常常需要產生高達數千千伏的電壓，就只有多級電壓發生器才能做到了。多級電壓發生器的工作原理簡單說來就是利用多級電容器在并聯結線下充電，然后通過球隙將各級電容器串聯起來放電，即可獲得幅值很高的電壓。適當選擇放電回路中各元件的參數，即可獲得所需的電壓波形。
圖3-29所示為多級電壓發生器的電路圖。圖中，先由工頻試驗變壓器T經過整流元件V和充電電阻Rch、保護電阻Rb給并聯的各級主電容C1～C3充電，達穩態時，點1、3、5的電位為零；點2、4、6的電位為-U0，充電電阻Rch?波尾電阻R2?阻尼電阻Rg，各級球隙G1～G4的放電電壓調整到稍大于U0。當主電容充電完成后，設法使間隙G1點火擊穿，此時點2的電位由-U0突然升到零；主電容C1經G1和Rch1放電，由于Rch1的阻值很大，故放電進行得很慢，且幾乎全部電壓都降落在Rch1上，使點1的電位升到+U0。當點2的電位突然升到零時，經Rch4也會對Cp4充電，但因Rch4的阻值很大，在極短的時間內，經Rch4對Cp4的充電效應是很小的，點4的電位仍接近于-U0，于是間隙G2上的電位差接近于2U0，促使G2擊穿，G2擊穿后，主電容C1通過串聯電路G1—C1—Rg2—G2對Cp4充電；同時又串聯C2后對Cp3充電；由于Cp4、Cp3的值很小，Rg2的值也很小，故可以認為G2擊穿后，對Cp4、Cp3的充電幾乎是立即完成的，點4的電位立即升到+U0，而點3的電位立即升到+2U0；與此同時，點6的電位卻由于Rch6和Rch5的阻隔，仍維持在原電位-U0；于是間隙G3上的電位差就接近3U0，促使G3擊穿。接著，主電容C1、C2串聯后，經G1、G2、G3電路對Cp6充電；再串聯C3后對Cp5充電；由于Cp5、Cp6極小，Rg2、Rg3也很小，故可以認為Cp6和Cp5的充電幾乎是立即完成的；也即可以認為G3擊穿后，點6的電位立即升到+2U0，點5的電位立即升到+3U0。P點的電位顯然未變，仍為零。于是間隙G4上的電位差接近達3U0，促使G4擊穿。這樣，各級主電容C1~C3就被串聯起來，經各組阻尼電阻Rg向波尾電阻R2放電，形成主放電回路；與此同時，也經R1對C2和被試品電容充電，形成電壓波的波前。
與此同時，也存在著各級主電容經充電電阻Rch、阻尼電阻Rg和中間球隙G的局部放電。由于Rch的值足夠大，這種局部放電的速度比主放電的速度慢很多倍，因此，可認為對主放電沒有明顯的影響。
中間球隙擊穿后，主電容對相應各點朵散電容Cp充電的回路中總存在某些寄生電感，這些雜散電容的值又極小，這就可能會引起一些局部振蕩。這些局部的振蕩將疊加到總的輸出電壓波形上去。為消除這些局部振蕩，就應在各級放電回路中串入一阻尼電阻Rg，此外，主放電回路本身也應保證不產生振蕩。
電壓是非周期性的快速變化過程。因此，測量電壓的儀器和測量系統必須具有良好的瞬變響應特性。電壓的測量包括峰值測量和波形記錄兩個方面。目前常用的測量電壓的方法有：①測量球隙；②分壓器一峰值電壓表；③分壓器一示波器。球隙和峰值電壓表只能測量電壓的峰值，示波器則能記錄波形，即不僅能指示電壓的峰值，而且能顯示電壓隨時間的變化過程。
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