冲击电压发生器功能、波形介绍

电力系统中的高压电气设备在投入运行之前需要进行冲击电压试验来检验其在过电压作用下的绝缘性能。随着电力科技的发展,需要进行冲击电压试验的试品种类日益增多。

冲击电压发生器是一种产生脉冲波的高电压发生装置。原先它只被用于研究电力设备遭受大气过电压（雷击）时的绝缘性能，后来又被用于研究电力设备遭受操作过电压时的绝缘性能。所以对于冲击电压发生器，要求不仅能产生出现在电力设备上的雷电波形，还能产生操作过电压波形。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。

此外，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；在大功率电阻束和离子束发生器以及二氧化碳激光中，可作为电源装置。

根据实测，雷电波是一种非周期性脉冲，它的参数具有统计性。他的波前时间（约从零上升到峰值所需时间）为0.5μs~10μs，半峰值时间（约从零上升到峰值后又降到1/2峰值所需时间）为20μs~90μs，累积频率为百分之50的波前和半峰值时间约为1.0μs~1.5μs和40μs~50μs。

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，而且他的形状和持续时间，随线路的具体参数和长度的不同而有异，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。雷电波又可分全波和截波两种。截波是利用截断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。截断的时间可以调节，或发生在波前或发生在波尾。

为了保证多次试验结果的重复性和各试验间试验结果的可比性，对波形及波形定义应有明确规定。为此国际电工委员会和国家标准规定了标准雷电冲击全波及截波的波形和标准操作冲击电压波形，如图1至图4所示。

图1：雷电冲击电压全波

图1中0为原点。有时用示波器摄取到的波形，在0点附近往往模糊不清，或是有起始之振荡。在产生冲击电压的发生器内电感大时，波形起始处也可能有一小段较为平坦。此时波形的原点（起始点）在时间轴上不容易确定。电压波的峰值点，由于比较平坦，在时间上也不容易确定。IEC和国家标准采用了如图1所示的办法来求得视在原点O1，再从O1算起来求出波前时间T f和半峰值时间T t。规定所在波前时间T f为T/0.6。规定的标准雷电冲击试验电压波的波前时间T f为1.2μs±0.3，半峰值时间T t为50μs±0.2。

图2：记录电压波形和试验电压波形

（a）记录和试验电压波形；

（b）基本波形叠加绿波后残余波形成为试验电压波形

若在波前峰值附近含有振荡或过冲波时（图2a），根据IEC60060——1新的规定，此时应通过标准所规定的处理步骤，把记录下来的波形转换成试验电压波形（图2b），后者的波幅

U t＝U mp＋k（f）（U e－U mp）

K（f）＝1/（1＋2.2f2）

式中，f——过冲的振荡频率，MHz；

K（f）——试验电压因数，他是一个幅频函数，是多类不同的绝缘上，施加了叠加不同高频频率过冲的冲击电压波，研究出与绝缘击穿强度相关的幅频关系。

标准规定把记录波形的头尾各舍弃一小部分后，用双指数波形拟合来好的基本波形。

尽管后获得的试验波形中含有滤波后残余波形的成分，标准规定由试验电压波形求得波前时间、半峰值时间和相对过冲幅值β’，其中

β’＝[（U t－U mp）/U t]×1

IEC新标准规定冲击试验电压的过冲β’允许值为0.1，但试验电压幅值高于2MV时，β’的允许值为0.2。

根据笔者对高阶集中参数的冲击电压发生器的计算结果，在产生标准雷电冲击电压波时，过冲波的频率不太可能高于0.5MHz。不过考虑到杂散振荡以及试验回路中存在流动波的多次反射，此时冲击波前上可能会叠加较高频率的振荡波。它的高振荡披绿f max可按下式进行估算：

f max＝c/[4（H g＋H c）]

式中，C——电磁波在空气中的传播速度，C＝300m/μs；

Hg——冲击电压发生器的高度，m；

Hc——负荷电容的高度，m。

雷电冲击电压截波如图3所示。雷电冲击截断时间Tc是视在原点与截断瞬间的时间间隔。截断期间电压段落的视在特征以截断瞬间电压值的0.7和0.1的C 点和D点来定义。电压跌落持续时间为c点和D点间时间间隔的1.67倍。电压跌落的陡度我截断瞬间电压与电压跌落持续时间之比。

图3：雷电冲击电压截波

（a）在波尾截断的雷电冲击；（b）在波前截断的雷电冲击

由IEC60060——1规定的操作冲击被波形如图4所示。它的半峰值时间T t 是从实际原点到波尾下降到半峰值的时间间隔。波前时间T m是从实际原点到达峰值的时间间隔。

由于波幅处比较平坦，峰值点不容易准确地确定，所以新标准规定了用下列计算式来确定波前时间

T m=KT AB

式中，K＝2.42－3.08×10-3×t ab＋1.51×10－4T t

T t，T AB如图4中所示，均以μs为单位。

图4：操作冲击电压波形

IEC 60060-1还对标准操作冲击电压规定了0.9峰值以上的时间T d，T d是指冲击电压超过峰值0.9的持续时间。规定的标准操作冲击电压的波前时间Tm为2 50us±0.2，半峰值时间T t为2500us±0.6。IEC 60076-3: 2000规定了试验额定电压≥220 kV变压器及电抗器内绝缘的操作冲击电压波的波形如图5所示。规定视在波前时间Tf至少为1 00μs，通常不大于250μs，百分之90峰值以上时间T d≥200μs，从视在原点到过零时间T z≥5 00μs。有关的国家标准(GB 1094. 3--2003)所规定的此类操作冲击电压波，与上述IEC文件相同。

图5：试验变压器内绝缘的操作冲击电压波形

按照试验标准并考虑到足够的裕度，冲击电压发生器的标称电压与被试设备而定电压间的关系大致如下表所示。表中下限值满足型式试验需要，上限值供研究试验用。