高電壓產生設備與測量技術

教學情境三

高電壓產生設備與測量技術

任務一沖擊電壓發(fā)生器任務二沖擊電流發(fā)生器任務三試驗變壓器的組成任務四直流高電壓的產生

任務五高電壓測量任務一沖擊電壓發(fā)生器教學任務了解沖擊電壓發(fā)生器的組成結構，注意事項理解沖擊電壓發(fā)生器的原理

雷電波和操作沖擊電壓波的特點：根據實測，雷電波是一種非周期性脈沖，它的波前時間為0.5～10us，半峰值時間為20～90us。雷電波又可分為全波和截波兩種，截波是利用截波裝置把沖擊電壓發(fā)生器產生的沖擊波突然截斷，電壓急劇下降來獲得的，截斷的時間可以調節(jié)，或發(fā)生在波前或發(fā)生在波尾。操作沖擊電壓波的持續(xù)時間比雷電沖擊電壓波長得多，形狀比較復雜，而且它的形狀和持續(xù)時間，隨線路的具體參數和長度的不同而異，不過目前國際上趨向于用一種幾百微秒波前和幾千微秒波長的長脈沖來代表它。

一、作用

1、沖擊電壓發(fā)生器是一種產生脈沖波的高電壓發(fā)生裝置，可用于研究電力設備遭受大氣過電壓(雷擊)和操作過電壓時的絕緣性能。沖擊電壓發(fā)生器主要用于電力設備等試品進行雷電沖擊電壓全波、雷電沖擊電壓截波和操作沖擊電壓波的沖擊電壓試驗，檢驗絕緣性能。沖擊電壓的破壞作用不僅決定于幅值，還與波前陡度有關，對某些設備還要采用截斷波來進行試驗。

一、作用

2、沖擊電壓發(fā)生器還可用來作為納秒脈沖功率裝置的重要組成部分。3、在大功率電子束和離子束發(fā)生器以及二氧化碳激光器中，可作為電源裝置。

二、沖擊電壓發(fā)生器的要求

輸出電壓高（幾十萬伏到幾百萬伏）。波形要達到規(guī)定的要求。

三、沖擊電壓發(fā)生器基本電路（Marx）

沖擊電壓發(fā)生器基本回路T—試驗變壓器；V—高壓硅堆；r—保護電阻；R—充電電阻；C1～C4—主電容器；rd—阻尼電阻；C‘—對地雜散電容；g1—點火球隙；g2~g4—中間球隙；g0—隔離球隙；Rt—放電電阻；Rf—波前電阻；C0—試品及測量設備等電容

四、基本原理

靠電容器串聯放電獲得高壓。電容器并聯充電，而后串聯放電。

分析：

試驗變壓器T和高壓硅堆v構成整流電源，經過保護電阻r及充電電阻R向主電容器C1～C4充電，充電到U，出現在球隙g1～g4上的電位差也為U，假若事先把球間隙距離調到稍大于u，球間隙不會放電。當需要使沖擊機動作時，可向點火球隙的針極送去一脈沖電壓，針極和球皮之間產生一小火花，引起點火球隙放電，于是電容器C1的上極板經g1接地，點1電位由地電位變?yōu)?U。

分析：

電容器C1與C2間有充電電阻R隔開，R比較大，在g1放電瞬間，由于C'的存在，點2和點3電位不可能突然改變，點3電位仍為-U，中間球隙g2上的電位差突然上升到2U，g2馬上放電，于是點2電位變?yōu)?2U。同理，g3、g4也跟著放電，電容器C1～C4串聯起來了。最后隔離球隙g0也放電，此時輸出電壓為C1～C4上電壓的總和，即+4U。上述過程可被概括為“電容器并聯充電，而后串聯放電”。由并聯變成串聯是靠一組球隙來達到。要求這組球隙在g1不放電時都不放電，一旦g1放電，則順序逐個放電。滿足這個條件的，稱為球隙同步好，否則就稱為同步不好。

R的阻值很大，在充電時起電路的連接作用，在放電時又起隔離作用。

沖擊電壓發(fā)生器是靠電容器串聯放電來獲得高電壓的。每臺電容器有不同電位。應該按照電位來把電容器分布在相應的位置上，電容器和地之間，電容器相互之間都應保持一定的絕緣距離，所以標稱電壓越高，沖擊電壓發(fā)生器的結構也越高。沖擊電壓發(fā)生器的結構可因條件和要求的不同而異，如有的是戶內的，有的是露天的，有的是固定的，有的是可移動的。電容器的形式常常是沖擊電壓發(fā)生器結構形式的決定性因素。

五、沖擊電壓發(fā)生器的結構

分為階梯式、塔式、柱式及圓筒式四種。

1）階梯式的結構，由于連線長，回路大，電感大，技術性能差而且占地大，現已不再采用。

2）塔式塔式沖擊電壓發(fā)生器的結構是豎立的多層絕緣臺，逐層放上電容器。塔式結構的柱子按結構高低，承重大小可采取三柱、四柱、甚至更多柱子。塔式結構中電容器被重疊布置在一條垂直線上，不少垂直空氣間隙被電容器本體所占用，將使結構高度較高。塔式結構占地小，高度適中，拆裝檢修方便，是目前較多采用的一種結構。3）柱式柱式沖擊電壓發(fā)生器是把絕緣殼的電容器和相同直徑的絕緣筒交換疊裝成柱狀。柱子根數可以為單根，也可以為多根。柱式結構利用電容器外殼作為絕緣柱的一部分，結構比較緊湊，外表比較美觀。這種結構要求電容器必須是絕緣殼的，而且尺寸必須合適。當要撤換底下一個電容器時必須拆掉整個柱子。如有合適尺寸的電容器，裝出來的柱式沖擊電壓發(fā)生器不僅外表美觀，而且技術性能是比較高的。4）圓筒式圓筒式結構沖擊電壓發(fā)生器是把電容器布置在一大圓筒內，整個裝置外形是一個大圓筒，或幾個疊裝的大圓筒，筒內充滿油，利用油間隙作為電容器間的絕緣距離。由于油的絕緣強度比空氣高得多，所以這種結構的尺寸小，連線短，移動方便，外觀較好看，技術性能比較高。但是當一個電容器損壞時將使整個裝置不能使用。通常把整個裝置的電容器分裝在幾個大筒內，萬一一個筒內出現故障，其余的筒尚可工作。這種結構的沖擊電壓發(fā)生器，多半是由制造廠特制成套供應。

特

點

回路電感小，并采取帶電阻Rf濾波措施，在大電容量負載下能產生標準沖擊波，負載能力大；電壓利用系數高，雷電波和操作波分別不低于85％和80％；調波方便，操作簡單，同步性能好，動作可靠；采用恒流充電自動控制技術，自動化程度高，抗干擾能力強；主要技術參數

標稱電壓：±300KV-4800KV

每級電壓：±150KV-1200KV

級電容量：0.325-1.0μF

沖擊能量：7.31-480

KJ適用范圍

變壓器、電抗器、互感器及其它高壓電器、電力電纜、各類高壓絕緣子、套管等試品的標準雷電沖擊，雷電截斷波，操作沖擊及用戶要求的非標準沖擊波的各類沖擊電壓試驗。

主要性能特點發(fā)生器主體級電壓為100kV，符合當前國內外的發(fā)展趨勢。主體結構采用世界著名公司HAEFELY的結構設計，是當前國內結構最緊湊的發(fā)生器，具有固有電感小，調波方便的特點。技術方案所采用的控制測量系統(tǒng)是目前國內技術領先的產品，核心器件為日本三菱公司的FX系列可編程控制器，幾乎所有的控制功能都由軟件編程實現，因此系統(tǒng)結構簡單，外圍電路板極少，可靠性極高。

主要性能特點技術方案的測控結構一體化整體設計，具有峰值電壓表、液晶顯示工業(yè)計算機，可實現全自動控制測量分析。測控系統(tǒng)采用液晶觸摸屏操作，具有多種狀態(tài)提示畫面，實現了人機對話式的智能操作。系統(tǒng)取消了多芯控制電纜，采用光纖通訊線，無須開電纜溝，使得控制室布局更加簡單方便。

主要性能特點光纖控制傳輸系統(tǒng)在國內高壓試驗設備中是首創(chuàng)，它實現了控制測量設備與高壓主體設備的光纖連接，有效地解決了高壓試驗中遇到的地電位抬高對測控系統(tǒng)的危害，排除了由控制引線導致的電磁干擾，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性，特別是在進行截波和陡波沖擊試驗時安全性更好。

任務二沖擊電流發(fā)生器教學任務了解沖擊電流發(fā)生器的結構，注意事項理解沖擊電流發(fā)生器的原理一、作用沖擊電流發(fā)生器主要用以檢驗電氣設備耐受沖擊電流穩(wěn)定的能力，廣泛應用于氧化鋅避雷器閥片進行沖擊電流試驗，也可以用于其它研究性試驗。沖擊電流發(fā)生器可以產生瞬間的沖擊電流波，用作模擬設備在雷擊過電壓、操作過電壓等短時高壓大電流作用下特性試驗。

二、特點

體積小、結構緊湊、調波方便；輸出電流大(4/10mS波形達到120kA)；采用下球氣缸推動觸發(fā)方式，同步性能好，動作可靠；每只主電容器套管上都串有一只大能量的無感吸能電阻，確保主電容器的安全；采用恒流充電計算機測量控制一體化系統(tǒng)，自動化程度高，抗干擾能力強。

三、基本原理

數臺或數組大容量的電容器經由高壓直流裝置，以整流電壓或恒流方式進行并聯充電，然后通過間隙放電使試品上流過沖擊大電流。圖7—11表示以高壓整流電壓作為充電電源的沖擊電流發(fā)生器的基本回路。

圖中C為許多并聯電容器的電容總值。L及R為包括電容器、回路連線、分流器、球隙以及試品上火花在內的電感及電阻值，有時也包括為了調波而外加的電感和電阻值。G為點火球間隙，V為硅堆，r為保護電阻，T為充電變壓器，O為試品，S為分流器，Cl、C2為分壓器，CR0為示波器。分壓器是用來測量試品上電壓的，分流器其實是個無感小電阻，.是用來測量流經試品的電流的。工作時先由整流裝置向電容器組充電到所需電壓，送一觸發(fā)脈沖到三球間隙G，使G擊穿，于是電容器組C經L、R及試品放電。根據充電電壓的高低和回路參數的大小，可產生不同大小的脈沖電流。

產品簡介

CJL系列沖擊電流發(fā)生器主要適于對避雷器電阻片、壓敏電阻、放電管等防雷浪涌保護產品進行各種沖擊電流試驗，并測定其在沖擊電流下的電壓和電流參數。也可以配套進行試品的動作負載試驗。由于沖擊電流發(fā)生器波形、最大電流、功能組合和試品種類等都有所不同，所以設備結構都有所不同，一般小型的為臺式儀器，中型為柜式，大型為分體式。多種波形組合，可以在一臺設備上產生多種電流波形，從而具有極佳的經濟實用性。集自動檢測、自動充電、自動接地于一體，操作上安全可靠，高效省力。任務三試驗變壓器的組成教學任務熟悉試驗變壓器的結構理解試驗變壓器的作用油浸式電力變壓器的結構

線圈絕緣紙筒電力變壓器的絕緣分為內絕緣和外絕緣，以油箱為界。內絕緣分為主絕緣和縱絕緣。主絕緣：繞組對地間（包括相間）以及其他繞組間的絕緣；縱絕緣：同一繞組內部各部分間的絕緣。端部出線一、作用產生工頻高壓試驗電壓。作為直流高壓和沖擊高壓設備的電源變壓器。產生操作波試驗電壓。

二、特點

與一般電力變壓器比較，試驗變壓器有以下特點：1、變壓器的容量不大。2、變壓器一般為單相油浸式。3、由于變壓器連續(xù)工作時間短，不需要散熱裝置。4、絕緣裕度較低，不需考慮變壓器受大氣或內部過電壓的影響。5、工頻輸出電壓高，可達到幾百到幾千KV。

三、結構形式高電壓試驗變壓器大多采用油浸式變壓器，該種變壓器有金屬殼及絕緣殼兩類結構型式。金屬殼變壓器可分為單套管和雙套管兩種。油浸式單套管鐵殼試驗變壓器外形如圖7—5所示。雙套管式的變壓器如圖7—6所示。絕緣殼式的高壓變壓器如圖7—7所示。試驗變壓器

試驗變壓器的運行條件與電力變壓器有不同1)試驗變壓器在大多數情況下工作在電容性負荷下；而電力變壓器一般工作在電感性負荷下。2)試驗變壓器所需試驗功率不大，所以變壓器的容量不很大；而高壓電力變壓器的容量都很大。3)試驗變壓器在工作時，經常要試品放電；電力變壓器在正常運行時，發(fā)生事故短路的機會是不多的，而且即使發(fā)生，繼電保護裝置會立即斷開電源。試驗變壓器的運行條件與電力變壓器有不同4)電力變壓器在運行中可能受到大氣過電壓及操作過電壓的侵襲；而試驗變壓器并不受到大氣過電壓的作用，但由于試品放電的緣故，它在工作時也可能在繞組上產生梯度過電壓。5)試驗變壓器工作時間短，在額定電壓下滿載運行的時間更短。譬如進行電氣設備的耐壓試驗常常是1min工頻耐壓，而電力變壓器則幾乎終年或多年在額定電壓下滿載運行。6)試驗變壓器工作溫度低；而電力變壓器溫升較高，也因此電力變壓器都帶有散熱管、風冷甚至強迫油循環(huán)冷卻裝置，而試驗變壓器則沒有各種附加的散熱裝置或只有簡單的散熱裝置。任務四直流高電壓的產生教學任務了解直流高電壓的測量儀表及技術了解直流高壓的產生方法

一、直流高電壓的用途測量介質的泄漏電流。直流耐壓試驗。超高壓直流輸電的電力設備(換流設備和直流輸電線路)進行直流高壓試驗。作為沖擊耐壓試驗的電源。

二、直流高壓的產生

將工頻高壓進行整流獲得（采用高壓硅堆）1、半波整流電路

組成v高壓硅堆具有體積小、重量輕、機械強度高、使用簡便和無輻射等優(yōu)點，普遍用于直流高壓設備中作為基本的整流元件。一個硅堆常由數個至數十個硅整流二極管串聯封裝而成。v增加保護電阻R，這是為了限制試品(或電容器C)發(fā)生擊穿或閃絡時以及當電源向電容器C突然充電時通過高壓硅堆和變壓器的電流，以免損壞高壓硅堆和變壓器。當然對于在試驗中因瞬態(tài)過程引起的過電壓，R和C也起抑制作用。

原理v當二極管上外加正向電壓Uf很小時正向電流很小，但當Uf大于某一值UF后，正向電流If則隨Uf的增大而迅速增大，稱UF為死角電壓，約為0.4V～0.6V。v又當外加反壓Ur于二極管時則二極管呈現很大阻抗，其反向電流Ir很小(約幾微安)，并隨反壓增加而稍有增長，但當反壓超過某一值UR后Ir則急劇增大，UR稱為擊穿電壓,可達數千伏至上萬伏。

任務五高電壓測量教學任務熟悉高電壓測量的原理了解高電壓測量的結構作用一、交流高電壓的測量球隙—利用球隙氣體放電來測量電壓的峰值高壓靜電電壓表—測量電壓的有效值電容分壓器—測量電壓的有效值

二、直流高壓的測量

1、用球隙測量直流高壓的最大值在一定的大氣條件下，一定直徑的銅球，當球間距離一定時，其擊穿電壓是固定的。

2、高壓靜電電壓表其結構主要是兩個電極，一個是固定的，另一個是可動的。利用兩極間的電場力使可動電極偏轉實現電壓的測量，其偏轉角的大小與被測電壓的平方成正比。（應在無風和無離子場所使用）3、電阻分壓器

R1——高壓臂電阻

R2——低壓臂電阻缺點：因V內阻影響，準確度不高，且分壓器的準確度不高，分壓比不易測準4、利用試驗變壓器的變比進行測量

設試驗變壓器的變比為K，當泄漏電流很小時：U2=k*u1