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C₁在被间隙G隔离的状态下由直流电源充电到稳态电压U₀。当球隙G被点火击穿后，主电容C₁上的电荷一方面经电阻R₂放电，同时C₁通过R₁对负荷电容C₂充电，在被试品上形成上升的电压波前。当C₂上的电压波充电达到最大值后，反过来经R₁与C₁一起对R₂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C₂中。一般选择R₂比R₁大得多得多，这样就可以在C₂上得到所要求的波前较短(时间常数R₁C₂较小)而波长较长(时间常数R₂C₁较大)的电压波形。输出电压峰值U_m与U₀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U₀C₁分配到(C₁+C₂)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C₁比C₂大得多。

如上所述，由于一般选择R₂C₁≫ R₁C₂，在回路2中，在很短的波前时间内，C₁对R₂放电时，对C₁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R₁、R₂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，η₂＞η₁，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R₂的作用，即把图3-27回路2简化成如图3-28(a)所示。这样，C₂上的电压可用下式表示

                                   （3-23)

式中 τ1——决定波前的时间常数。

根据波视在波前T₁的定义（详见第一章第四节），可知当t=t₁时，u(t₁)=0.3U_m；t=t₂时，u(t₂)=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R₁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τ₂——决定半峰值时间的时间常数。

根据半峰值时间T₂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C₁～C₃充电，达稳态时，点1、3、5的电位为零；点2、4、6的电位为-U₀，充电电阻R_ch≫波尾电阻R₂≫阻尼电阻R_g，各级球隙G1～G4的放电电压调整到稍大于U₀。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-U₀突然升到零；主电容C₁经G1和R_ch1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+U₀。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-U₀，于是间隙G2上的电位差接近于2U₀，促使G2击穿，G2击穿后，主电容C₁通过串联电路G1—C₁—R_g2—G2对C_p4充电；同时又串联C₂后对C_p3充电；由于C_p4、C_p3的值很小，R_g2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+U₀，而点3的电位立即升到+2U₀；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-U₀；于是间隙G3上的电位差就接近3U₀，促使G3击穿。接着，主电容C₁、C₂串联后，经G1、G2、G3电路对C_p6充电；再串联C₃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+2U₀，点5的电位立即升到+3U₀。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3U₀，促使G4击穿。这样，各级主电容C₁~C₃就被串联起来，经各组阻尼电阻R_g向波尾电阻R₂放电，形成主放电回路；与此同时，也经R₁对C₂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。