冲击电压试验

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1、冲击电压试验由于冲击高电压试验对试验设备和测试仪器的要求高、投资大，测试技术也比较复杂，所以在绝缘预防性试验中通常不列入冲击耐压试验。但为了研究电气设备在运行中遭受雷电过电压和操作过电压作用时的绝缘性能，在许多高压试验室中都装设了冲击电压发生器，用来产生试验用的雷电冲击电压波和操作冲击电压被。许多高压电气设备在出厂试验、型式试验时或大修后都必须进行冲击高压试验。冲击电压发生器是高压实验室的基本设备之一，冲击试验电压要比设备绝缘正常运行时承受的电压高出很多。随着输电电压等级的不断提高，冲击电压发生器的最高电压也相应提高才能满足试验要求。一、冲击电压波形的定义绝缘耐受冲击电压的能力与施加的电压波形

2、有关，而实际的冲击电压波形具有分散性，即每次的波形参数会有不同，为了保证多次冲击试验的重复性和不同试验条件下试验结果的可比较性，必须规定统一的冲击电压波形参数。我国对标准冲击电压波形的规定和国际电工委员会（IEC）标准相同。如图 126 所示。在经过时间 T1 时，电压从零上升到最大值，然后经过时间 T2-T1，电压下降到最大值的一半。规定电压从零上升到最大值所用的时间 T1 称为波头时间（或波前时间） ，电压从零开始经过最大值又下降到最大值一半的时间T2 成为半峰值时间（或波长时间、波尾时间） 。utT10 . 5 UmUmoT2AA1t /A e2t /A euto21tt图 1-26 标

3、准冲击电压波形 图 1-27 非周期性的冲击电压波形非周期性的冲击电压波形由两个指数电压波形叠加组成，如图 127 所示，即（1-25 ）)()21tteAtu式中： 波尾时间常数。1波头时间常数，通常 远大于 。2 12A单指数波幅值。对于实际的冲击电压波形，其起始部分通常比较模糊，在最大值附近的波形比较平坦，很难确定起始零点和到达最大值的时间。所以实际中通常采用视在波头时间和视在半峰值时间来定义冲击电压波形。按照国际电工委员会（IEC）标准，实际冲击电压波形参数的定义如图 128 所示。标准冲击电压波形的参数为：波头时间： 1.2s30半峰值时间：50s20幅值： 3二、单级冲击电压发生器

4、（一） 单级冲击电压发生器的原理非周期性冲击电压波可由两个指数电压波形叠加而成，由于 远大于 ，在波头时间12范围内， ，可将电压波形近似用下式表示：1te（1-26）)1()2teAtu其波形如图 1-29 所示。这个波头时间范围内的冲击电压波形和电路理论课程中讲述的一阶电路的零状态响应曲线是相同的。所以利用直流电源经电阻向电容器充电可以产生冲击电压波的波头，且波头时间 T13.24 ，如图 1-30 所示。2CRBC PAaDt1t2FT1T21 0 09 03 00U ( % )5 0t图 1-28 实际的冲击电压波形（图中 tf 改为 T1，t t 改为 T2）A0 tu )1(2te

5、图 1-29 冲击电压波头波形0uu1R1C2Cu)(2101CCuCt210te)(21R图 1-30 冲击电压波头波形产生电路在波尾时间范围内， ，可将冲击电压波形近似用下式表示：02te（1-27 ）1)(tAetu上式的波形和已充电电容器经电阻放电的波形是相同的。所以利用已充电的电容器经电阻放电可以产生冲击电压波形的波尾，波尾时间取决于 R2 和 C1。如图 1-31 所示。可以计算出电压下降到一半的时间，即半峰值时间 T2 为：0012ueT（1-28 ）1227.CR2R1Cu 0u0tu20u1t / 012ueT图 1-31 冲击电压波尾波形根据上面的分析，将图 1-30 和图

6、 1-31 两个电路组合起来就可以产生完整的冲击电压波形。如图 1-32 所示。首先在开关打开的状态下对 C1 进行充电，充电完毕后合上开关，电容 C1 经电阻 R1 向 C2充电，形成冲击电压波的波头（C 2 两端的电压波形） ；同时 C1 和C2经过电阻 R2放电，形成冲击电压波的波尾。一般情况下，C 1 比 C2 大很多，所以波尾主要由 C1 放电的快慢决定。称 C2 和 R1 为波头电容和波头电阻，称 C1 和 R2为波尾电容和波尾电阻。根据实际的需要，图 1-32 的电路可以改为图 1-33 所示的两种形式，此时需要调整各个电阻的大小来调整冲击电压波形。2R1C u 0u12图 1-

7、32 冲击电压产生电路2R1Cu 0u1 1R2C1 2R2R1Cu 0u1R2C( a ) ( b )图 1-33 另外两种冲击电压产生电路图 1-32 和 1-33 的电路有一个电压利用系数的问题。假设合开关之前电容器 C1 上的电压为 U0，那么合上开关后在 C2 两端产生的冲击电压波形的最大电压（即幅值）U m肯定小于 U0，我们定义放电回路的电压利用系数 为：（1-29 ）0m（二）冲击电压发生器波形和回路参数的关系可以计算出，图 1-32 回路的电压利用系数最高，称为高效率回路。实际的单级冲击电压发生器电路如图 1-34 所示。调整调压器的输出可以改变电容 C1的充电电压，达到调整

8、输出冲击电压幅值的目的；调整电阻 R1 和 R2 可以改变输出波形，使输出冲击电压波形符合试验要求；放电球隙 G 的放电电压根据电容器 C1 的充电电压和输出冲击电压幅值的要求进行调整。由于受到高压硅堆和电容器额定电压的限制，同时也考虑放电球隙的直径不宜过大，一般单级冲击电压发生器的最高输出幅值不超过200300kV。冲击电压发生器的试品一般是容性负载，在做冲击电压试验时，利用试品的等效电容做波头电容 C2。对于图 1-33（b）所示的典型放电回路可以列出下面的方程：（1-30 ）102120 )(RdtuCtRu（1-31 ）)(21221 tdttC解上面的方程可以得到 u2时间的变化为：

9、（1-32 ）)()(210tteKUt式中，U 0球隙放电前电容器 C1 上的充电电压。K回路系数，K= C1R2/（ - ） 2 2R1C0uu21G2T1DR图 1-34 实际单级冲击电压发生器电路 波尾时间常数。1波头时间常数。2令 ，可得到理论波头时间 T1 为：0dtu（1-33 ）)(ln21221f那么输出冲击电压的幅值为：（1-34 ）)(2110max2TeKU即 同样可以用 求出半峰值时间 T2 与回路参数的关系。)(/ 2120max2 TeUT2/T1 只决定于 / 。1三、多级冲击电压发生器多级冲击电压发生器的原理由于受到高压硅堆参数等因素的限制，单级冲击电压发生器

10、输出的冲击电压幅值一般不超过 200300kV，所以实际中要获得更高的冲击电压幅值，需采用多级冲击电压发生器。多级冲击电压发生器的基本原理是：并联充电、串联放电。即先对多个电容器并联充电，然后这些电容器自动串联起来放电，以产生很高的冲击电压幅值。图 1-35 是多级冲击电压发生器的原理电路图。图 1-35 中，首先调整各个球隙的距离，使 G1 的放电电压为 U0，G 2G 4 的放电电压在 U02U 0 范围内，然后开始对各个电容器同时充电到 U0。这时 G1 首先击穿，导致G2G 4 依次击穿，各个电容器串联起来对 C2 和 R2 放电，在输出端获得幅值很高的冲击电压，近似的等效放电回路如图

11、 1-36 所示。下面详细说明各个电容器自动转换成串联放电的过程。如图 1-36 所示，C 10C 80 是各点的对地杂散电容（寄生电容） 。充电过程结束时，上面一排杂散电容 C10、C 30、C 50、C 70 两端被充电到电压 U0，1、3、5、7 各点的对地电位为u0TD0R2Ru2C1RR RRRRRRCCCC1G2G3G4G5G图 1-35 多级冲击电压发生器的原理电路图U0。下面一排杂散电容未被充电， 2、4、6、8 点仍为地电位零。充电结束时，1 点电位为 U0，达到 G1 击穿电压，G 1 首先击穿，1 点电位瞬时降为零，2 点电位瞬时变为U 0。由于 1、3 点和 2、4 点

12、之间电阻 R（比较大）的作用，杂散电容C30 来不及放电，在 G1 击穿瞬间 3 点电位几乎仍维持在 U0，于是在 G1 击穿的瞬间，G 2 承受的电压（2、3 点之间的电位差）由原来的 U0 瞬间上升到 2U0，从而导致 G2击穿。G2 击穿后，3 点电位从 U0 下降到U 0，4 点电位瞬时变为2U 0，而 5、6 点仍几乎维持原来的电位，于是 G3 承受 3U0 电压的作用而击穿。依此类推，后面各级球隙在 nU0 电压作用下相继击穿，把所有的电容器串联起来。从上面所述的过程可以看出，电容器由并联充电转变为串联放电的关键是杂散电容来不及放电，而杂散电容放电的快慢一方面取决于杂散电容的大小，

13、另一方面取决于放电电阻 R 的大小，即杂散电容放电的时间常数。在实际当中，有时候为了确保各级球隙能顺利自动放电，还需要采取措施增大杂散电容。1-铜球，2-端部有孔的铜球，3- 钨电极 4-瓷、胶木等绝缘材料d-钨电极与铜球孔之间的距离；G,g-间隙图 1-37 三电极球隙的结构三电极球隙上述的单级和多级冲击电压发生器，其输出冲击电压的产生并不是等到电容器充到一定电压时自动输出，而是充到一定电压后停止充电，人为控制输出冲击电压，这就要用到三电极球隙。对于单级冲击电压发生器就直接采用一个三电极球隙，对多级冲击电压发生器，只用一个三电极球隙替代第一级放电球隙 G1。三电极球隙简单地是一个可以人为触发放电的球隙，其结构如图 1-37 所示。三电极球隙工作的原理是，当冲击电压发生器各个电容充电完毕后，利用另外一个回路产生一个电压较低的脉冲电压，并将该脉冲电压施加在三电极球隙的电极 2 和 3 之间（即间隙 g），u0R02R2C1RR R RRRRRCCCC1G2G3G4G5G17532 4 860C1 0C2 0C7 0C5 0C3 0C4 0C6 0C8 0u图 1-36 图 1-35 的等效放电回路使间隙 g 击穿，利用间隙 g 击穿时产生的火花触发主间隙 G 的击穿。此时应防止间隙 G 击穿时，高电位沿电极 3 瞬间贯入低压脉冲回路。