高电压产生设备与测量技术

教学情境三

高电压产生设备与测量技术

任务一冲击电压发生器任务二冲击电流发生器任务三试验变压器的组成任务四直流高电压的产生

任务五高电压测量任务一冲击电压发生器教学任务了解冲击电压发生器的组成结构，注意事项理解冲击电压发生器的原理

雷电波和操作冲击电压波的特点：根据实测，雷电波是一种非周期性脉冲，它的波前时间为0.5～10us，半峰值时间为20～90us。雷电波又可分为全波和截波两种，截波是利用截波装置把冲击电压发生器产生的冲击波突然截断，电压急剧下降来获得的，截断的时间可以调节，或发生在波前或发生在波尾。操作冲击电压波的持续时间比雷电冲击电压波长得多，形状比较复杂，而且它的形状和持续时间，随线路的具体参数和长度的不同而异，不过目前国际上趋向于用一种几百微秒波前和几千微秒波长的长脉冲来代表它。

一、作用

1、冲击电压发生器是一种产生脉冲波的高电压发生装置，可用于研究电力设备遭受大气过电压(雷击)和操作过电压时的绝缘性能。冲击电压发生器主要用于电力设备等试品进行雷电冲击电压全波、雷电冲击电压截波和操作冲击电压波的冲击电压试验，检验绝缘性能。冲击电压的破坏作用不仅决定于幅值，还与波前陡度有关，对某些设备还要采用截断波来进行试验。

一、作用

2、冲击电压发生器还可用来作为纳秒脉冲功率装置的重要组成部分。3、在大功率电子束和离子束发生器以及二氧化碳激光器中，可作为电源装置。

二、冲击电压发生器的要求

输出电压高（几十万伏到几百万伏）。波形要达到规定的要求。

三、冲击电压发生器基本电路（Marx）

冲击电压发生器基本回路T—试验变压器；V—高压硅堆；r—保护电阻；R—充电电阻；C1～C4—主电容器；rd—阻尼电阻；C‘—对地杂散电容；g1—点火球隙；g2~g4—中间球隙；g0—隔离球隙；Rt—放电电阻；Rf—波前电阻；C0—试品及测量设备等电容

四、基本原理

靠电容器串联放电获得高压。电容器并联充电，而后串联放电。

分析：

试验变压器T和高压硅堆v构成整流电源，经过保护电阻r及充电电阻R向主电容器C1～C4充电，充电到U，出现在球隙g1～g4上的电位差也为U，假若事先把球间隙距离调到稍大于u，球间隙不会放电。当需要使冲击机动作时，可向点火球隙的针极送去一脉冲电压，针极和球皮之间产生一小火花，引起点火球隙放电，于是电容器C1的上极板经g1接地，点1电位由地电位变为+U。

分析：

电容器C1与C2间有充电电阻R隔开，R比较大，在g1放电瞬间，由于C'的存在，点2和点3电位不可能突然改变，点3电位仍为-U，中间球隙g2上的电位差突然上升到2U，g2马上放电，于是点2电位变为+2U。同理，g3、g4也跟着放电，电容器C1～C4串联起来了。最后隔离球隙g0也放电，此时输出电压为C1～C4上电压的总和，即+4U。上述过程可被概括为“电容器并联充电，而后串联放电”。由并联变成串联是靠一组球隙来达到。要求这组球隙在g1不放电时都不放电，一旦g1放电，则顺序逐个放电。满足这个条件的，称为球隙同步好，否则就称为同步不好。

R的阻值很大，在充电时起电路的连接作用，在放电时又起隔离作用。

冲击电压发生器是靠电容器串联放电来获得高电压的。每台电容器有不同电位。应该按照电位来把电容器分布在相应的位置上，电容器和地之间，电容器相互之间都应保持一定的绝缘距离，所以标称电压越高，冲击电压发生器的结构也越高。冲击电压发生器的结构可因条件和要求的不同而异，如有的是户内的，有的是露天的，有的是固定的，有的是可移动的。电容器的形式常常是冲击电压发生器结构形式的决定性因素。

五、冲击电压发生器的结构

分为阶梯式、塔式、柱式及圆筒式四种。

1）阶梯式的结构，由于连线长，回路大，电感大，技术性能差而且占地大，现已不再采用。

2）塔式塔式冲击电压发生器的结构是竖立的多层绝缘台，逐层放上电容器。塔式结构的柱子按结构高低，承重大小可采取三柱、四柱、甚至更多柱子。塔式结构中电容器被重叠布置在一条垂直线上，不少垂直空气间隙被电容器本体所占用，将使结构高度较高。塔式结构占地小，高度适中，拆装检修方便，是目前较多采用的一种结构。3）柱式柱式冲击电压发生器是把绝缘壳的电容器和相同直径的绝缘筒交换叠装成柱状。柱子根数可以为单根，也可以为多根。柱式结构利用电容器外壳作为绝缘柱的一部分，结构比较紧凑，外表比较美观。这种结构要求电容器必须是绝缘壳的，而且尺寸必须合适。当要撤换底下一个电容器时必须拆掉整个柱子。如有合适尺寸的电容器，装出来的柱式冲击电压发生器不仅外表美观，而且技术性能是比较高的。4）圆筒式圆筒式结构冲击电压发生器是把电容器布置在一大圆筒内，整个装置外形是一个大圆筒，或几个叠装的大圆筒，筒内充满油，利用油间隙作为电容器间的绝缘距离。由于油的绝缘强度比空气高得多，所以这种结构的尺寸小，连线短，移动方便，外观较好看，技术性能比较高。但是当一个电容器损坏时将使整个装置不能使用。通常把整个装置的电容器分装在几个大筒内，万一一个筒内出现故障，其余的筒尚可工作。这种结构的冲击电压发生器，多半是由制造厂特制成套供应。

特

点

回路电感小，并采取带电阻Rf滤波措施，在大电容量负载下能产生标准冲击波，负载能力大；电压利用系数高，雷电波和操作波分别不低于85％和80％；调波方便，操作简单，同步性能好，动作可靠；采用恒流充电自动控制技术，自动化程度高，抗干扰能力强；主要技术参数

标称电压：±300KV-4800KV

每级电压：±150KV-1200KV

级电容量：0.325-1.0μF

冲击能量：7.31-480

KJ适用范围

变压器、电抗器、互感器及其它高压电器、电力电缆、各类高压绝缘子、套管等试品的标准雷电冲击，雷电截断波，操作冲击及用户要求的非标准冲击波的各类冲击电压试验。

主要性能特点发生器主体级电压为100kV，符合当前国内外的发展趋势。主体结构采用世界著名公司HAEFELY的结构设计，是当前国内结构最紧凑的发生器，具有固有电感小，调波方便的特点。技术方案所采用的控制测量系统是目前国内技术领先的产品，核心器件为日本三菱公司的FX系列可编程控制器，几乎所有的控制功能都由软件编程实现，因此系统结构简单，外围电路板极少，可靠性极高。

主要性能特点技术方案的测控结构一体化整体设计，具有峰值电压表、液晶显示工业计算机，可实现全自动控制测量分析。测控系统采用液晶触摸屏操作，具有多种状态提示画面，实现了人机对话式的智能操作。系统取消了多芯控制电缆，采用光纤通讯线，无须开电缆沟，使得控制室布局更加简单方便。

主要性能特点光纤控制传输系统在国内高压试验设备中是首创，它实现了控制测量设备与高压主体设备的光纤连接，有效地解决了高压试验中遇到的地电位抬高对测控系统的危害，排除了由控制引线导致的电磁干扰，极大地提高了系统的可靠性，特别是在进行截波和陡波冲击试验时安全性更好。

任务二冲击电流发生器教学任务了解冲击电流发生器的结构，注意事项理解冲击电流发生器的原理一、作用冲击电流发生器主要用以检验电气设备耐受冲击电流稳定的能力，广泛应用于氧化锌避雷器阀片进行冲击电流试验，也可以用于其它研究性试验。冲击电流发生器可以产生瞬间的冲击电流波，用作模拟设备在雷击过电压、操作过电压等短时高压大电流作用下特性试验。

二、特点

体积小、结构紧凑、调波方便；输出电流大(4/10mS波形达到120kA)；采用下球气缸推动触发方式，同步性能好，动作可靠；每只主电容器套管上都串有一只大能量的无感吸能电阻，确保主电容器的安全；采用恒流充电计算机测量控制一体化系统，自动化程度高，抗干扰能力强。

三、基本原理

数台或数组大容量的电容器经由高压直流装置，以整流电压或恒流方式进行并联充电，然后通过间隙放电使试品上流过冲击大电流。图7—11表示以高压整流电压作为充电电源的冲击电流发生器的基本回路。

图中C为许多并联电容器的电容总值。L及R为包括电容器、回路连线、分流器、球隙以及试品上火花在内的电感及电阻值，有时也包括为了调波而外加的电感和电阻值。G为点火球间隙，V为硅堆，r为保护电阻，T为充电变压器，O为试品，S为分流器，Cl、C2为分压器，CR0为示波器。分压器是用来测量试品上电压的，分流器其实是个无感小电阻，.是用来测量流经试品的电流的。工作时先由整流装置向电容器组充电到所需电压，送一触发脉冲到三球间隙G，使G击穿，于是电容器组C经L、R及试品放电。根据充电电压的高低和回路参数的大小，可产生不同大小的脉冲电流。

产品简介

CJL系列冲击电流发生器主要适于对避雷器电阻片、压敏电阻、放电管等防雷浪涌保护产品进行各种冲击电流试验，并测定其在冲击电流下的电压和电流参数。也可以配套进行试品的动作负载试验。由于冲击电流发生器波形、最大电流、功能组合和试品种类等都有所不同，所以设备结构都有所不同，一般小型的为台式仪器，中型为柜式，大型为分体式。多种波形组合，可以在一台设备上产生多种电流波形，从而具有极佳的经济实用性。集自动检测、自动充电、自动接地于一体，操作上安全可靠，高效省力。任务三试验变压器的组成教学任务熟悉试验变压器的结构理解试验变压器的作用油浸式电力变压器的结构

线圈绝缘纸筒电力变压器的绝缘分为内绝缘和外绝缘，以油箱为界。内绝缘分为主绝缘和纵绝缘。主绝缘：绕组对地间（包括相间）以及其他绕组间的绝缘；纵绝缘：同一绕组内部各部分间的绝缘。端部出线一、作用产生工频高压试验电压。作为直流高压和冲击高压设备的电源变压器。产生操作波试验电压。

二、特点

与一般电力变压器比较，试验变压器有以下特点：1、变压器的容量不大。2、变压器一般为单相油浸式。3、由于变压器连续工作时间短，不需要散热装置。4、绝缘裕度较低，不需考虑变压器受大气或内部过电压的影响。5、工频输出电压高，可达到几百到几千KV。

三、结构形式高电压试验变压器大多采用油浸式变压器，该种变压器有金属壳及绝缘壳两类结构型式。金属壳变压器可分为单套管和双套管两种。油浸式单套管铁壳试验变压器外形如图7—5所示。双套管式的变压器如图7—6所示。绝缘壳式的高压变压器如图7—7所示。试验变压器

试验变压器的运行条件与电力变压器有不同1)试验变压器在大多数情况下工作在电容性负荷下；而电力变压器一般工作在电感性负荷下。2)试验变压器所需试验功率不大，所以变压器的容量不很大；而高压电力变压器的容量都很大。3)试验变压器在工作时，经常要试品放电；电力变压器在正常运行时，发生事故短路的机会是不多的，而且即使发生，继电保护装置会立即断开电源。试验变压器的运行条件与电力变压器有不同4)电力变压器在运行中可能受到大气过电压及操作过电压的侵袭；而试验变压器并不受到大气过电压的作用，但由于试品放电的缘故，它在工作时也可能在绕组上产生梯度过电压。5)试验变压器工作时间短，在额定电压下满载运行的时间更短。譬如进行电气设备的耐压试验常常是1min工频耐压，而电力变压器则几乎终年或多年在额定电压下满载运行。6)试验变压器工作温度低；而电力变压器温升较高，也因此电力变压器都带有散热管、风冷甚至强迫油循环冷却装置，而试验变压器则没有各种附加的散热装置或只有简单的散热装置。任务四直流高电压的产生教学任务了解直流高电压的测量仪表及技术了解直流高压的产生方法

一、直流高电压的用途测量介质的泄漏电流。直流耐压试验。超高压直流输电的电力设备(换流设备和直流输电线路)进行直流高压试验。作为冲击耐压试验的电源。

二、直流高压的产生

将工频高压进行整流获得（采用高压硅堆）1、半波整流电路

组成v高压硅堆具有体积小、重量轻、机械强度高、使用简便和无辐射等优点，普遍用于直流高压设备中作为基本的整流元件。一个硅堆常由数个至数十个硅整流二极管串联封装而成。v增加保护电阻R，这是为了限制试品(或电容器C)发生击穿或闪络时以及当电源向电容器C突然充电时通过高压硅堆和变压器的电流，以免损坏高压硅堆和变压器。当然对于在试验中因瞬态过程引起的过电压，R和C也起抑制作用。

原理v当二极管上外加正向电压Uf很小时正向电流很小，但当Uf大于某一值UF后，正向电流If则随Uf的增大而迅速增大，称UF为死角电压，约为0.4V～0.6V。v又当外加反压Ur于二极管时则二极管呈现很大阻抗，其反向电流Ir很小(约几微安)，并随反压增加而稍有增长，但当反压超过某一值UR后Ir则急剧增大，UR称为击穿电压,可达数千伏至上万伏。

任务五高电压测量教学任务熟悉高电压测量的原理了解高电压测量的结构作用一、交流高电压的测量球隙—利用球隙气体放电来测量电压的峰值高压静电电压表—测量电压的有效值电容分压器—测量电压的有效值

二、直流高压的测量

1、用球隙测量直流高压的最大值在一定的大气条件下，一定直径的铜球，当球间距离一定时，其击穿电压是固定的。

2、高压静电电压表其结构主要是两个电极，一个是固定的，另一个是可动的。利用两极间的电场力使可动电极偏转实现电压的测量，其偏转角的大小与被测电压的平方成正比。（应在无风和无离子场所使用）3、电阻分压器

R1——高压臂电阻

R2——低压臂电阻缺点：因V内阻影响，准确度不高，且分压器的准确度不高，分压比不易测准4、利用试验变压器的变比进行测量

设试验变压器的变比为K，当泄漏电流很小时：U2=k*u1