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1、高电压工程基础高电压工程基础华南理工大学电力学院高电压工程基础第第9 9章章 冲击高电压的测量冲击高电压的测量9.1 球隙放电法测量冲击电压9.2 测量冲击电压的分压器9.3 利用光纤传输技术测量冲击高电压（自学）9.4 测量冲击高电压的示波器（自学）9.5 测量高电压弱电仪器的抗干扰措施（自学）冲击电压特点：快速或较快速变化的电压（操作/雷击）。测量系统包含：电压转换装置和指示、记录及测量仪器必须具有良好的瞬态响应特性。故稳态电压测量系统不宜于或根本不可能测量冲击电压。冲击电压测量包含：峰值和波形。概述概述高电压工程4冲击电压雷电冲击电压：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
2、击电压：操作冲击电压：电力系统设备操作引起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联并联的储能的储能高压电容器，自直流高压源高压电容器，自直流高压源充电充电几十秒钟后，通过铜球突几十秒钟后，通过铜球突然经电阻然经电阻串联放电串联放电，在试品上形成陡峭上升前沿的冲击电，在试品上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压波形。冲击波持续时间以微秒计，电压峰值一般为几十kVkV至几至几MVMV发明人：发明人：产生较高电压的冲击发生器多级回路，首先由德产生较高电压的冲击发生器多级回路，首先由德国人国人E
3、.E.马克思（马克思（E.MarxE.Marx）提出，为此他于）提出，为此他于19231923年获得专利，年获得专利，被称为马克思回路被称为马克思回路高电压工程5高电压工程组成成：T变压器；r保护电阻，几百k；R充电电阻，几十k；C为每级主电容，一般为零点几微法；Cs为每级相应点的对地杂散电容，一般仅为几个pF；g1为点火球隙，g2g4为中间球隙，g0为隔离球隙；rf为每级波前电阻，几十欧姆；rt为每级放电电阻，通常约几百欧姆；C2为试品电容，几百pF几个nF。冲击电压：（冲击电压：（雷电冲击电压、操作冲击电压） 持续短、电压上升速度快，缓慢下降的暂态电压。由波头时间、波尾时间、峰值和极性来表
4、示。PO OTfCFTttUxyz标准雷电冲击的定义标准雷电冲击的定义 ：Tx为30%90%峰值间所测得的时间。标准雷电冲击电压：1.2/50s标准操作冲击电压：250/2500s 高电压工程 冲击电压波形形状的描述由双指数波叠加而成：波尾时间常数。 波头时间常数， 通常高电压工程基础冲击电压发生器与参数计算冲击电压发生器与参数计算1. 冲击电压产生的基本原理冲击电压产生的基本原理_+RfRtC2C1U0u2(t)Rd_+RfRtC2C1u2(t)U0LRf_+RtC2C1U0u2(t)(a) 典型等效电路 (b) 考虑回路电感的等效电路 (c) 高效回路的等效 1、电源对、电源对C1充电充电
5、2、然后发生放电：、然后发生放电：(C1C2)（1）充电过程：；C1向C2充电，建立电压，形成波头；（2）放电过程：当C1、C2上的电压相等时，并联对Rt放电，形成波尾。主电容主电容试品等电容试品等电容波头电阻波头电阻波尾电阻波尾电阻在波头时间范围内在波头时间范围内， 可将电压波形表示为：用直流电源向电容器充电的波形模拟，波头时间：T1 3.24R1C2波头波形波头波形在波尾时间范围内在波尾时间范围内，可将电压波形表示为：波尾波形波尾波形RRRRRfRtATT（1）充电过程：）充电过程：由试验变压器T和高压硅堆D构成的整流电源，以峰值电压经保护电阻及充电电阻向主电容充电。（2）放电过程：）放电
6、过程：当需要启动冲击电压发生器时，可向点火球隙的针极送去一脉冲电压，针极和球表面之间产生火花放电，引起点火球隙放电，各球隙相继放电，将电容器串联起来，对试品放电。 “电容器并联充电，串联放电电容器并联充电，串联放电”，这一过程由一组球隙来完成。，这一过程由一组球隙来完成。高电压工程基础多级冲击电压发生器RRRrDCCCCT冲击电压发生器的单边充电回路RRRrDDRRRRCCCCCCCCT冲击电压发生器的双边充电回路2. 冲击电压发生器放电回路的近似计算冲击电压发生器放电回路的近似计算（1）波前时间的确定）波前时间的确定（2）半峰值时间的确定）半峰值时间的确定（3）冲击电压发生器的效率）冲击电压
7、发生器的效率产生雷电冲击截波的产生雷电冲击截波的原理原理p试品上并联一个适当的截断间隙，让它在雷电冲击全波的作用下击穿，作用在试品上的就是一个截波。 p截断装置的要求实放电分散性小和能准确控制截断时间。高电压工程基础 国家标准规定：额定电压大于220kV的超高压电气设备在出厂试验、型式试验中，不能象220kV及以下的高压电气设备那样以工频耐压试验来等效取代操作冲击耐压试验。 标准操作冲击电压波及其产生方法可以分为两类： 操作冲击电压的获得操作冲击电压的获得高电压工程基础（1）利用冲击电压发生器产生操作波）利用冲击电压发生器产生操作波 调节冲击电压发生器的波头、波尾电阻，可改变波头波尾时间，就可
8、以得到标准所规定的操作冲击电压。（2）利用电容器对变压器原绕组放电产生操作波）利用电容器对变压器原绕组放电产生操作波 一组电容由直流充电至一定值，然后通过球隙G的击穿，使向试验变压器的原绕组（低压侧）放电，在变压器的副绕组（高压侧）便会因电磁感应基本上按变比产生高电压的操作波形。IEC推荐的利用工频试验变压器产生操作冲击 高电压工程基础 陡波前冲击电压的获得陡波前冲击电压的获得 利用冲击电压发生器对电容器C1充电，然后电容器C1上的电荷通过间隙G2放电，可获得陡波前冲击电压es。 电压的波头时间决定于C1-G2-R2回路尺寸以及放电间隙G3的火花形成时间。将回路封入高气压SF6气体中，可减小回
9、路尺寸，且可提高G2的放电电压，从而获得幅值为102103kV、波头时间为0.020.1s的陡波前冲击电压。 陡波冲击电压发生器 高电压工程基础高电压工程基础高电压工程基础 绝缘的冲击耐压试验方法p电气设备内绝缘的雷电冲击耐压试验采用电气设备内绝缘的雷电冲击耐压试验采用三次三次冲击法冲击法，即对被试品施加三次正极性和三次负，即对被试品施加三次正极性和三次负极性雷电冲击试验电压。（极性雷电冲击试验电压。（1.2/50 1.2/50 全波）。全波）。p对变压器和电抗器类设备的内绝缘，还要进行对变压器和电抗器类设备的内绝缘，还要进行雷电冲击截波（雷电冲击截波（1.2/21.2/25 )5 )耐压试验
10、。耐压试验。p内绝缘冲击全波耐压试验应在被试品上并联球内绝缘冲击全波耐压试验应在被试品上并联球隙，并将它的放电电压整定得比试验电压高隙，并将它的放电电压整定得比试验电压高15152020。高电压工程基础p发现绝缘内的局部损伤或故障，目前用得最多的监发现绝缘内的局部损伤或故障，目前用得最多的监测方法是拍摄变压器中性点处的测方法是拍摄变压器中性点处的电流示波图电流示波图。p电力系统外绝缘的冲击高压试验通常采用电力系统外绝缘的冲击高压试验通常采用1515次冲击次冲击法法，若击穿或闪络的闪数不超过，若击穿或闪络的闪数不超过2 2次，即可认为改外次，即可认为改外绝缘试验合格。绝缘试验合格。 高电压工程基
11、础冲击电压的测定包括：冲击电压的测定包括：幅值测量和波形记录标准规定：标准规定： 对于标准全波、波尾截断波以及1/5s短波，幅值的测量不确定度不超过3%，1s以内波头截断波，其幅值的测量误差不超过5%，波头及波长时间的测量不确定度不超过10%。目前最常用的冲击电压的测量方法目前最常用的冲击电压的测量方法： a. 测量球隙； b. 分压器-示波器。7.5 冲击电压的测量冲击电压的测量冲击电压的特点：持续时间短，波形变化快，幅值高冲击电压的特点：持续时间短，波形变化快，幅值高高电压工程基础1. 球间隙测量冲击电压的幅值球间隙测量冲击电压的幅值在利用球隙测量冲击电压时的注意问题：在利用球隙测量冲击电
12、压时的注意问题：a. 在球隙距离太小（放电电压50kV以下），或者球隙直径太小（小于12.5cm）时，为减小分散性，应对球隙进行照射。b. 利用球隙测量冲击电压时，如在球隙前串联电阻，球隙击穿瞬间电流Ic = Cdu/dt很大，串联电阻后会在其上造成很大的压降，使测量出现较大的不确定度。但为避免球隙击穿时所造成的振荡对被试品的损伤，需要加入串联保护电阻（无感电阻，其值应不大于500）。高电压工程基础在球间隙上加一定幅值的冲击电压时,间隙的放电有一定的概率。对一定距离的球隙,必然可找到放电概率为50%的冲击电压幅值,我们称这一电压幅值为该距离下的50%放电电压。球间隙的50%放电电压和稳态击穿电
13、压没有多大差别,几乎等于直流和工频电压作用下的击穿值。因此在球隙击穿电压的标准表中,负极性冲击、直流和交流电压是合用一张表的, 正极性冲击虽然列在另一表中,但两者的差别是不大的。高电压工程基础（1）多级法）多级法 以预期的50%放电电压的23%作为电压级差，对被试品分级施加冲击电压，每级施加电压10次，至少要加4级电压。求出每级电压下的放电次数和施加次数之比后，将其按电压值标于正态概率纸上，给出拟合直线，在此直线上对应于P=0.5的电压值即为50%放电电压。（2）升降法升降法 估计50%放电电压的预期值，取的23%为电压增量，凡上次加压如已引起放电，则下次加压比上次电压低；凡上次加压未引起放电
14、，则下次加压比上次电压高。这样反复加压2040次，分别计算出各级电压下下的加压次数，按下式求出50%放电电压确定确定50%放电电压的方法：放电电压的方法：高电压工程基础2. 冲击电压分压器冲击电压分压器高电压工程基础冲击分压器系统由分压器和测试回路组成测量回路一般需要同时测量峰值与波形2. 冲击电压分压器冲击电压分压器C1C2R1R2u1u2C1C2R1R2u1u2u1u2R1R2u1u2C1C2（a）电阻分压器 (b) 电容分压器 (c) 阻尼分压器 (d) 阻容并联分压器 高电压工程基础p雷电冲击雷电冲击：电阻式、屏蔽电阻式、电容式、阻容式（并联阻容式）、阻尼电容式（串联阻容式）p操作冲击
15、操作冲击：主要采用电容式p理想情况下的变比为:（R1R2）/R2 p和稳态的电阻分压器相比，其电阻值要小得多。用于测量雷电冲击，一般为10-20k ，测量电压为1MV左右。p为减少对地杂散电容的影响，避免高压端放电，一般用屏蔽式的电阻分压器。p经过仔细屏蔽的电阻分压器，可测量到2.5MV，阻值可到40 k。电阻式分压器屏蔽式电阻式分压器电阻式分压器电阻式分压器高电压工程基础电容分压器电容分压器p理想分压比为(C1+C2)/C1p分为两种： 串联电容式、集中电容式p测量电压可达数MV。p因为连接线的电感与电容器中的寄生电感与电容器之间发生振荡，因此适用于持续时间比较长的操作冲击波高电压工程基础高
16、电压工程基础阻容分压器阻容分压器（并联阻容分压器）阻尼电容分压器（串联阻容分压器）并联阻容分压器容易引起高频振荡，因此发展了串联式阻容分压器，R1约为几个 ，可阻尼杂散振荡。首端引入匹配电阻Rd，与导线波阻抗相等，约300400 。如果在串联阻容分压器的基础上，再加上高值的并联电阻，即构成“通用分压器”。高电压工程基础低压测试回路低压测试回路匹配电阻匹配电阻：屏蔽：测量仪器的电源要通过滤波器和带静电屏蔽的隔离变压器，传输电缆要采用双层屏蔽电缆，外屏蔽层与屏蔽室相连，而内屏蔽层与测量仪器的接地端连接 高电压工程基础p电阻分压器的测量回路电阻分压器的测量回路 R1,R2是高压臂和低压臂电阻, R3
17、,R4是匹配电阻,Z为电缆的波阻抗。其中,R2+R3=R4=Z,电缆两端都经波阻抗接地,两端都无反射波。示波器上的电压为:分压比分压比K=(R1+R2)(R3+Z)+R1R2)/R2Z高电压工程基础高电压工程基础p电容分压器的测量回路电容分压器的测量回路 p电缆首端串联一个电阻，且R1=Z,电缆末端开路，这时在电缆末端将发生全反射，但由于首端串联R1=Z，因而进入电缆的电压只是 1/2Ua0，全反射后正好等于Ua0。高电压工程基础K=(C1+C2+Cc)/C1p电缆波阻抗为Z，电容为Cc，在电缆首端有匹配电阻R1=Z外，在电缆末端还匹配有R2和C3，使C1+C2=C3+Cc。稳态的分压比与起始时的分压比相同：K2(C1C2)/C1
