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1、高电压与大电流的产生1稳态高电压试验设备交流高电压试验设备直流高电压试验设备冲击高电压及大电流的产生冲击电压发生器冲击电流发生器2第一部分 稳态高电压试验设备1.1 交流高电压试验设备1.1.1 工频高电压试验变压器1.1.2 高压串联谐振试验设备1.1.3 串级高压试验变压器1.2 直流高电压试验设备1.2.1 半波整流电路1.2.2 倍压直流与串级直流装置3试验变压器与电力变压器区别与联系 试验变压器与电力变压器的运行条件不同：试验变压器与电力变压器的运行条件不同： 试验变压器试验变压器 电力变压器电力变压器负荷性质负荷性质 容性容性 感性感性容容 量量 小小 大大时时 间间 短短 长长温
2、温 度度 低低 高高安全系数安全系数 小（小（1.1) 1.1) 大（第大（第5 5章课件）章课件）1.1 交流高电压试验设备41.1.1 工频高电压试验变压器工频高电压试验的基本线路1-电源开关；2-调压器；3-电压表；4-试验变压器；5-变压器保护电阻；6-试品；7-测量铜球保护电阻；8-测量铜球5 各种型号的变压器61.1.2 高压串联谐振试验设备对于特大的电容的试品对于特大的电容的试品，如电缆厂中的成卷高压，如电缆厂中的成卷高压电缆的耐压试验，以及特大容量发电机的耐压试电缆的耐压试验，以及特大容量发电机的耐压试验等，验等，常用串联谐振装置来满足试验的要求常用串联谐振装置来满足试验的要求
3、7串联谐振谐振条件：谐振条件：LL=1/C=1/C其中其中=2f=2f，f=50 Hzf=50 Hz谐振时：谐振时：电流达到最大值电流达到最大值I IM M=Us/R=Us/R L L及及C C上获得比电源电压高（通常高上获得比电源电压高（通常高2020倍）的电压倍）的电压UcUc=UL=UL=QUsQUs， 串联谐振的原理图 串联谐振装置的等值电路8串联谐振装置串联谐振装置 9整套装置总容量：整套装置总容量：U U2 2I I2 2+2U+2U2 2I I2 2+3U+3U2 2I I2 2=6U=6U2 2I I2 2装置输出额定容量：装置输出额定容量：3U3U2 2I I2 2容量利用率
4、低容量利用率低一般串级数：一般串级数：n3n34 4 三变压器组成的串级变压器示意图 通过累接绕组供给激磁电流的串级变压器通过累接绕组供给激磁电流的串级变压器1.1.3 串级高压试验变压器1011串级变压器的优点串级变压器的优点:1、单个变压器的电压不必太高、单个变压器的电压不必太高,因此绝缘结构制作方便因此绝缘结构制作方便,绝缘的价格较便宜绝缘的价格较便宜,每台变压每台变压器的重量不会过重器的重量不会过重,运输及安装方便。运输及安装方便。2、可以改接线，供三相试验。、可以改接线，供三相试验。3、如果需要低的试验电压时，可以只使用其中的一二台变压器，使电源发电机的激、如果需要低的试验电压时，可
5、以只使用其中的一二台变压器，使电源发电机的激磁不致过小工作较易。磁不致过小工作较易。4、每台变压器可以分单独使用，这样工作地点可以有所增加。、每台变压器可以分单独使用，这样工作地点可以有所增加。5、坏了一台变压器时，其余的几台仍可以继续使用，损失相对可减小。、坏了一台变压器时，其余的几台仍可以继续使用，损失相对可减小。串级变压器缺点：串级变压器缺点：1、整个装置的利用率低。、整个装置的利用率低。2、当级数增多时，总的电抗增加甚剧。一般认为不应超过四级。、当级数增多时，总的电抗增加甚剧。一般认为不应超过四级。3、发生过电压时，各级瞬态电压分布不均匀，可能发生套管闪络及激磁绕组中的绝、发生过电压时
6、，各级瞬态电压分布不均匀，可能发生套管闪络及激磁绕组中的绝缘故障。缘故障。121.2 直流高电压试验设备1.2.1 半波整流电路瞬间过载电流：瞬间过载电流：R R阻值的选择阻值的选择应保证应保证流过硅堆的事故电流流过硅堆的事故电流( (峰值峰值) )不超过不超过允许的瞬间过载电流允许的瞬间过载电流( (峰值峰值)I)ISMSM反向电压：反向电压：高压整流用硅堆是由多高压整流用硅堆是由多个硅整流二极管串联封装组成。由个硅整流二极管串联封装组成。由于每个单管的反向击穿电压不一定于每个单管的反向击穿电压不一定完全相同，另外因对地杂散电容的完全相同，另外因对地杂散电容的影响，影响，硅堆上的电压分布不均
7、匀硅堆上的电压分布不均匀，这样有可能使某个反压最大的，或这样有可能使某个反压最大的，或是厚弱的单管首先击穿。因此硅堆是厚弱的单管首先击穿。因此硅堆的反向工作峰值电压应比诸多单管的反向工作峰值电压应比诸多单管反向击穿电压串联值应大得多。反向击穿电压串联值应大得多。在使用时，也必须控制实际在使用时，也必须控制实际所加的所加的反向电压低于硅堆的额定值反向电压低于硅堆的额定值半波整流电路 T：试验用变压器；：试验用变压器；C：滤波电容器：滤波电容器D：高压硅堆；：高压硅堆； R：保护电阻：保护电阻Rx：试品；：试品； R1：限流电阻：限流电阻13半波整流电路输出电压波形U UT T：变压器电压（有效值
8、）变压器电压（有效值）UmaxUmax：电压最大值电压最大值UminUmin：电压最小值电压最小值UU：脉动幅值脉动幅值U = (Umax - Umin)/2 IEC和国家标准都规定直流电压：直流电压：是电压的算术平均值是电压的算术平均值UdUd，即，即 Ud(Umax + Umin)/2纹波系数：纹波系数：电压的纹波系数电压的纹波系数 S = U / Ud直流电压的直流电压的S S不能大于不能大于3 3 半波整流电路输出电压波形141.2.2 倍压直流与串级直流装置倍压电路的工作原理变压器输出电压峰值变压器输出电压峰值 U UT T直流高压直流高压2 U2 UT TUCUC1 1UCUC2
9、2 U UT TU UB B U UT T U UA A可达可达2 U2 UT T要求变压器绝缘水平高要求变压器绝缘水平高高压变压器不接地的直流倍压电路15变压器一端接地的直流倍压电路降低变压器的绝缘水平，可采用普通型变压器作为直流电降低变压器的绝缘水平，可采用普通型变压器作为直流电源的变压器源的变压器变压器一端接地的直流倍压电路倍压电路空载时的各点电位1617串级直流装置概念：倍压电路的积木式的迭加倍压电路的积木式的迭加电压脉动幅值：电压脉动幅值：Un（n1）Id/ (4fC) 压降：压降：U（8n33n2n）Id/ (12fC) UU随级数随级数n n的平方倍关系上升的平方倍关系上升U U
10、则随则随n n的立方倍关系上升的立方倍关系上升当级数当级数n n超过一定值时，再增加超过一定值时，再增加n n将将无助于输出电压的增加，而元件数无助于输出电压的增加，而元件数量和整个结构高度却会随量和整个结构高度却会随n n而正比上而正比上升，这一点在设计时应予注意升，这一点在设计时应予注意 直流高压串级发生器18Z-VI 系列直流高压发生器系列直流高压发生器192021DHF型直流高电压发生器型直流高电压发生器 22第二部分 冲击高电压及大电流的产生 23冲击高电压的产生冲击电压两类：雷电冲击电压：雷电冲击电压：自然界雷击引起的自然界雷击引起的操作冲击电压：操作冲击电压：电力系统设备操作引起
11、的电力系统设备操作引起的冲击电压发生器概念：冲击电压发生器概念：冲击电压发生器由一组冲击电压发生器由一组并并联联的储能高压电容器，自直流高压源的储能高压电容器，自直流高压源充电充电几十秒几十秒钟后，通过铜球突然经电阻钟后，通过铜球突然经电阻串联放电串联放电，在试品上，在试品上形成陡峭上升前沿的冲击电压波形。冲击波持续形成陡峭上升前沿的冲击电压波形。冲击波持续时间以微秒计，电压峰值一般为几十时间以微秒计，电压峰值一般为几十kVkV至几至几MVMV24雷电冲击电压发生器回路冲击电压发生器高效回路接线 r rf f：每级的波前电阻，一每级的波前电阻，一般约几十欧；般约几十欧；r rt t：每级的放电
12、电阻，通每级的放电电阻，通常约几百欧；常约几百欧；C C2 2：负荷电容，其值不仅负荷电容，其值不仅取决于试品，而且与取决于试品，而且与调波相关。一般处于调波相关。一般处于几百皮法至几个纳法几百皮法至几个纳法间间T T：供电高压变压器；供电高压变压器；D D：整流用高压硅堆；整流用高压硅堆；r r：保护电阻，一般为几百千欧；保护电阻，一般为几百千欧；R R：充电电阻，一般为几十千欧；充电电阻，一般为几十千欧；C C：每级的主电容，一般为零点几个每级的主电容，一般为零点几个微法；微法；CsCs：每级相应点的对地杂散电容，一每级相应点的对地杂散电容，一般仅为几个皮法；般仅为几个皮法；g g1 1：
13、点火球隙；点火球隙；g g2 2g g4 4：中间球隙；中间球隙；g g0 0：隔离球隙；隔离球隙；25操作冲击电压发生器回路冲击电压发生器高效回路接线 操作冲击电压发生器回路与雷电冲击电压发生操作冲击电压发生器回路与雷电冲击电压发生器回路器回路接线图相同接线图相同二者的区别：二者的区别：当产生操作冲击电压时，回路中当产生操作冲击电压时，回路中各各阻值至少要增加两个数量级阻值至少要增加两个数量级 26冲击电压发生器回路接线 工作原理主电容充电：主电容充电：主电容主电容C C通过整流源通过整流源并联充电到电压并联充电到电压U U。各球各球隙事先调节到能耐压隙事先调节到能耐压U U值，若作用电压稍
14、高于值，若作用电压稍高于U U，则各球隙则各球隙便会击穿便会击穿点火球隙点火：点火球隙点火：当需要使发生器动作时，可向点火球隙的当需要使发生器动作时，可向点火球隙的针极送去针极送去5 58 8千伏的脉冲电压，针极和接地球面之间产生千伏的脉冲电压，针极和接地球面之间产生一小火花，由于其紫外线之照射，促使点火球隙一小火花，由于其紫外线之照射，促使点火球隙g g1 1放电放电g g1 1球隙的放电所产生的紫外线应能照射到球隙的放电所产生的紫外线应能照射到g g2 2球隙，以利于促球隙，以利于促使使g g2 2之放电之放电27点点2电位抬高：电位抬高：g1 1放电后，使点放电后，使点1从原先在充电下的
15、从原先在充电下的U 突变为零电位。而点突变为零电位。而点2从原零从原零电位变为电位变为U；间隙间隙g2放电：放电：间隙间隙g2 2两端便作用了两端便作用了2U的电位差的电位差，它比能，它比能承受的一个承受的一个U高了一倍，所以高了一倍，所以g2 2在在g1 1放电所造成的紫外线放电所造成的紫外线的照射下马上放电；的照射下马上放电；点点4电位抬高电位抬高g3放电：放电：点点4的电位变为的电位变为2U，g3 3的瞬间压的瞬间压差达到差达到3u，也就立即放电；也就立即放电；间隙间隙g4和和g0放电：放电：g4 4和和g0 0跟着放电，各级电容器跟着放电，各级电容器C就和诸就和诸rf一起串联起来了一起
16、串联起来了工作原理冲击电压发生器回路接线 28上述一系列过程，可以概括为上述一系列过程，可以概括为“电容器并联充电，电容器并联充电，而后串联放电而后串联放电”电阻电阻R R的连接与隔离作用：的连接与隔离作用：在充电时起电路的连接在充电时起电路的连接作用；放电时则起隔离作用作用；放电时则起隔离作用电容并联串联转换方法：电容并联串联转换方法：诸电容由并联变成串联诸电容由并联变成串联是靠一组球隙分别处于绝缘和放电来达到。是靠一组球隙分别处于绝缘和放电来达到。特点29冲击电压发生器串联放电时的等值电路 等值电路 放电时，放电时，发生器的发生器的等值电路等值电路如图如图C C1 1：等值的主电等值的主电
17、容，四个电容容，四个电容C C的串联值的串联值C/4C/4名义电压：名义电压：U1U14U4UR Rf f：波前电阻波前电阻4r4rf fR Rt t：波尾电阻波尾电阻4r4rt t级数为n级时：上上述各参数的述各参数的4 4置换置换为为n n冲击电压发生器回路接线 30冲击电压波形电压波形：电压波形：g g0 0击穿后，作用在试品击穿后，作用在试品C C2 2上的电压上的电压u u2 2如图所示如图所示C C1 1的选择：的选择：为使为使C C2 2上作用到的电压，接近于上作用到的电压，接近于C C1 1的原始充电的原始充电电压（即名义电压），应选择电压（即名义电压），应选择C C1 1C
18、C2 2电压上升速度：电压上升速度：u u2 2上升的快慢主要取决于上升的快慢主要取决于R Rf fC C2 2时间常数；时间常数；电压下降速度：电压下降速度：u u2 2下降的快慢主要取决于（下降的快慢主要取决于（C C1 1C C2 2）R Rt t时间常数时间常数冲击电压发生器串联放电时的等值电路 C2上电压u2的波形波前波前波尾波尾31双边充电的冲击电压发生器回路 双边充电回路：双边充电回路：发生器采用发生器采用波前电阻和放电电阻集中放置波前电阻和放电电阻集中放置的方式。图示为两个半波直流充电电路的方式。图示为两个半波直流充电电路双边充电的冲击电压发生器回路波前波前电阻电阻波尾波尾电阻
19、电阻充放电充放电过程？过程？32冲击大电流的产生电流波形的规定冲击电流发生器的基本原理与结构33冲击电流波形第一类波形：第一类波形：电流从零值以较短的时间上升到峰值，然后以电流从零值以较短的时间上升到峰值，然后以近似指数规近似指数规律律或强阻尼正弦波形下降到零。这种波形以视在波前时间或强阻尼正弦波形下降到零。这种波形以视在波前时间T T1 1和视在半和视在半峰值时间峰值时间T T2 2表示为表示为T T1 1/ T/ T2 2波。国家和国际波。国家和国际IECIEC标准规定了四种该类冲击标准规定了四种该类冲击波，即波，即1/201/20微秒、微秒、4/104/10微秒、微秒、8/208/20微
20、秒和微秒和30/8030/80微秒冲击电流波。微秒冲击电流波。误差：误差：峰值和峰值和T T1 1、 T T2 2的实测值和规定值之间容许的偏差各为的实测值和规定值之间容许的偏差各为1010。在冲击波峰值附近，允许小的过冲或振荡，但单个幅值不超过其峰值在冲击波峰值附近，允许小的过冲或振荡，但单个幅值不超过其峰值的的5 5第二类波形：第二类波形：规定的冲击电流波形规定的冲击电流波形近似为方波近似为方波，用峰值持续时间，用峰值持续时间T Td d和总和总的持续时间的持续时间T Tf f来表示。峰值持续时间规定等于来表示。峰值持续时间规定等于500500微秒，微秒，10001000微秒，微秒，200
21、02000微秒，或者微秒，或者20002000与与32003200微秒之间，要求在规定的容许偏差之内。微秒之间，要求在规定的容许偏差之内。 国家标准规定的冲击电流波形的画法 34冲击电流发生器的基本原理与结构大电容器储能产生冲击电流工作原理基本上与冲击工作原理基本上与冲击电压发生器相似。由一电压发生器相似。由一组高压大电容量的电容组高压大电容量的电容器，先通过直流高压并器，先通过直流高压并联充电，充电时间为几联充电，充电时间为几十秒到几分钟，然后通十秒到几分钟，然后通过触发球隙的击穿，并过触发球隙的击穿，并联地对试品放电，从而联地对试品放电，从而在试品上流过冲击大电在试品上流过冲击大电流流 冲
22、击电流发生器的充放电回路35C C：为多个并联电容器的电容为多个并联电容器的电容充电回路：充电回路：由高压试验变压器由高压试验变压器T T、保护电阻保护电阻R R1 1和高压硅堆和高压硅堆D D所构成所构成放电回路：放电回路：由由C C和触发间隙和触发间隙G G，电感电感L L，电阻电阻R R，试品试品O O及分及分流器流器S S所构成。所构成。L L及及R R：为电容器本身及连线、球隙放电火花、试品和分流为电容器本身及连线、球隙放电火花、试品和分流器器S S的总电感及电阻效应，也包括了为调波而外加的电感的总电感及电阻效应，也包括了为调波而外加的电感及电阻值。及电阻值。分流器：分流器：是一个无感低值电阻器，当电流流过它时，它两是一个无感低值电阻器，当电流流过它时，它两端送出电压信号，可用作为测量电流的波形和峰值。最简端送出电压信号，可用作为测量电流的波形和峰值。最简单易制的一种分流器是绞线式对折分流器单易制的一种分流器是绞线式对折分流器冲击电流发生器的充放电回路36冲击电流试验装置冲击电流试验装置37冲击电流试验装置冲击电流试验装置38谢谢！39
