高电压试验技术new第3章

硅堆中每个单管在反向运行时可以看成一个电阻
R(二极管反向内阻)与电容Cr(PN结反向势垒电容) 并联而成的等效电路。
每个单管和大地形成对地电容Ce，和高压端形成 部分电容Ch. 通常串联链的右端应接入滤波电容C ，由于C的电容量相对较大，故对交流而言可看 作是短路的，因此串联链的右端是直接接地的。
大。
高压端部分电容Ch使得越靠近低压侧单管所承受电 压越大。
如何解决电压分布不均匀
1. 尽量减少串联的管数，这就要求单管的额定反峰值 电压做得尽可能高。 2. 在单管两端并联大电容或小电阻使得C, R组成的阻 抗减小来达到强迫均压的目的。但此法会增大输出的
交流分量，也会受到一定限制。
3.选用高压雪崩型整流元件，硅堆中某单管接近击穿
直流高压设备的特点
电压高——数万伏到数百万伏
电流小——通常为数毫安到数十毫安
持续时间较短
纹波因数不大于3%
回顾：交流高压设备的特点 电压 电流 体积 思考：为什么纹波因数不能较大？ 大（容性） 大 交流高 高 压设备 小（阻性） 小 直流高 高 压设备
附加设备
无 有；整流Байду номын сангаас器
时，由于内阻的减小，而使它所分配到的电压减小，
从而起到自动均压的作用。
3.4 倍压电路
为了得到更高的直流电压可采用 倍压电路。 电路对变压器T有些特殊要求，T 的次级电压仍为Ur。但两个端头 对地绝缘不同,A点对地绝缘要求 为2Ur，而A’点为Ur。硅堆反峰 值电压为2倍电容电压。 缺点：需提高变压器、硅堆、电 容器的工作电压。
这种电路的优点是便于得到更高的直 流电压, 只要增加串接的级数，即可组 成直流高压串级发生器(又称串级高压 倍加器)。
考虑有负载情况下电压变化
考虑有负载情况下电压变化
当C1=C2时，倍压电路输出电压纹波与半波电路输
出纹波相同。
S U / U d I d /(2 fCU d )
降低串级发生器纹波因数措施
(1)提高每级电容器的工作电压以减小级数。这主要 会受到电容器额定工作电压的限制。
(2)增加每级电容器的电容量C，这会受电容器额定电
容量和发生器结构尺寸的限制。 (3)采用对称回路或三相回路。
普通串级发生器回路内，右 柱在一周中仅在很短时间内 获得电荷，而在差不多一周 的时间内流失电荷。 改用对称回路时，右柱在每
半周时间内获得电荷一次，
而流失电荷时间不到半周。
改用三相回路时，右 柱在每三分之一周期内 获得电荷一次，而流失 电荷的时间不到三分之 一周期。 因此后两种回路可以减 小纹波,但必须增加元 件，结构也较复杂。
提高供电频率f降低纹波因数，一般可选用逆变器 组成的中频电源最大功率一般可达数千瓦。选用 大功率电子管振荡器供电，最大功率一般可达 20kW-30 kW。
保护
为了保护硅堆必须保证流过硅堆的事故电流(峰值)不
超过允许的过载电流，一般只需在高压回路选用合
适的限流电阻R。
但在电流较大、持续运行时间较长的直流高压设备
中，为避免R会增加设备的功率损耗。 选用晶闸管、过流继电器和快速熔断器等元件作为 过电流保护。
3.3 硅堆的电压分布和均压措施
硅整流二极管(单管)的额定反峰值电压可达数千
直流高压设备输出电压波形
t=t1 变压器向电容器充 电，同时向试品放电
t=t2 电容器向试品放电
直流高压设备参数选择1
纹波系数
S U / U d I d /(2 fCU d )
将S=3%,代入方程
假设电源频率为50Hz时
RxC 16.6T
试品的试验电压和电流决定了Rx 可以得出滤波电容值C
硅二极管和硅堆基本技术参数
额定整流电流If—指的是通过二极管的正向电流在一
个周期内的平均值。在选择整流元件时，应使其If ＞
Id。
正向压降Uf—当二极管通过的正向电流为额定值If时
在管子两端的压降。 额定反峰电压值Ur—即二极管截止时在管子两端允 许出现的最高反向工作电压峰值。
硅二极管的过载特性
Center for High Voltage Electromagnetic System
高电压试验技术
袁佳歆 QQ:59902428 yjx98571@163.com
第三章 直流高电压试验
3.1 概述 3.2 高压硅堆 3.3 硅堆的电压分布和均压措施
3.4 倍压电路
3.5 直流高压串级发生器
(3)发现缺陷的灵敏度高。
泄漏电流试验时采用灵敏度很高的微安表测量，其
刻度均匀，读数精确。
而兆欧表刻度不均匀，尤其是在高阻区不易区分，
读数误差相当大。
直流试验4——直流耐压试验
什么叫直流耐压试验？
交流耐压试验是对电气设备绝缘施加高出它的额定
工作电压一定值的直流试验电压，并持续一定的时 间，观察绝缘是否发生击穿或其他异常情况。 因此，直流耐压试验和交流耐压试验一样，都是鉴 定绝缘的耐电强度的试验。
（1）发现缺陷有效性高
测泄漏电流时所加的电压要比兆欧表中的直流电压
高，且对于不同电压等级的设备可采用不同的电压， 因此发现绝缘缺陷的有效性高。 （2）易判断缺陷性质 在泄漏试验时，记下不同电压下的泄漏电流值并画 成曲线。根据曲线的形状可判断缺陷的性质。
测量直流泄漏电流较测绝缘电阻的优点
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谢谢
如何确定试验变压器的容量？
1. 首先不能小于整流电路的输出功率为UdId；
2.变压器的输出电流是脉冲状的，其脉冲幅值显然
应比平均电流Id大很多，约为2-2.5 倍；
3.变压器容量W=（2~2.5）UdId。
直流试验1——测量绝缘电阻
检查电气设备绝缘状况最简便和最基本的方法是测
量绝缘电阻、吸收比。
一般硅堆的正向损坏是由于二极管PN结的热击
穿造成的，根据大功率硅整流元件技术标准规定
PN结的最高允许工作温度为140℃。
因此在正常工作时结温必须低于140 ℃ ，不然会
引起硅堆特性变坏和加速封装硅堆的绝缘介质的
老化，从而影响硅堆使用寿命。
硅二极管使用注意事项
(1)所用硅堆的额定正向整流电流峰值，应不小于其 在正常实际工作状态中的电流最大值。 (2) 根据高压硅堆的频率特性可分工频高压硅堆(用 2DL表示)和高频高压硅堆(用2DGL表示)。 (3)高压硅堆所标称的额定整流电流值是指在使用环 境温度为室温时的平均整流电流值。 (4)高压硅堆的结温是由于PN结的功率损耗对结部加 热所致，而结功率损耗还与整流电流的波形和施加 的反向电压有关。
3. 分析了利用直流高压试验设备对电解质进行直流 耐压试验。
课后作业
1.第三章思考题
2.第三章习题
3.计算和仿真验证题
需要对高压电缆进行直流耐压试验，施加电压 200kV， 等效电阻0.2M欧姆，二极管耐压6kV，电容耐压 6.6kV，请设计串级发生器，分析不同回路型式下电 压纹波和平均压降参数。并在matlab仿真软件中搭 建仿真模型，对计算结果进行验证，提交仿真波形。
还可选用中频机组来供电，中频机组的频率一般
为 400Hz-800Hz, 也可到 1kHz-10kHz 。不管选用哪
种方式供电，其运行和维修均比用工频电源供电
要复杂。
小结
1.本章重点介绍了直流高压试验设备（高压试验变压 器）的工作原理、结构型式、主要参数；
2. 介绍了高压硅堆的电压分布和均压措施；
3.5 直流高压串级发生器
直流高压发生器输出电压的纹波和压降随负荷电 流的增大而增大，随电容及频率的增大而减小， 随级数的增加而迅速增大。为了获得较大的平稳 的输出电压，应限制负荷电流、级数和频率值。
串级直流电压发生器的纹波因数为：
减小纹波因数和增大输出负荷电流是矛盾的。 当要求负菏电流较大时，例如开展超高压直流输 电研究工作时，就要考虑到进行绝缘子的湿闪和 污闪试验，此时要求串级发生器保证较小的纹波 因数，就需要采取一些相应的技术措施。
伏至一万伏，因此需将许多单管串联起来，加以
封装组成硅堆，作为高压整流元件来使用。
但是当在硅堆上外加反向电压时，每个单管在硅
堆上的电压分布是不均匀的。
总结：高压时串联会电压分布不均匀
外延：大电流时并联会不会电流不均匀呢？
造成电压分布不均的主要原因是存在二极管对地及
对高压端的寄生电容。
结电容Cr：一般决定于制造工艺，约为pF数量级。 对地电容Ce和高压端部分电容Ch：与二极管的安放
位置有关，通常Ce低于pF数量级且Ce ＞ Ch 。
R：与管子反向电流有关，约在数百至数千兆欧。
R也会影响各单管的电压分布，但和杂散电容相比，
它的影响还是很小的。
地电容Ce存在使得越靠近高压侧单管所承受电压越
3.6 小型化的直流高压串级发生器
3.1 概述
电力设备需要进行直流高压试验，例如测量泄流电 流、对电缆的直流耐压试验。 如何产生直流高压？ 采用半波整流

R为保护电阻
直流高压设备基本技术参数
额定输出直流电压（算数平均值） Ud 额定输出电流（平均值） Id 电压纹波因数 S S=（Umax- Umin ）/ （Umax+ Umin ）
同向，使气泡里的电场强度反而加强
了，因而加强了局部放电的发展。
与交流耐压相比，直流耐压试验在一
定程度上还带有非破坏性试验的性质。
3.2 高压硅堆
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。
UF为死角电压
UR为击穿电压
硅二极管
（2）对绝缘损伤较小
在绝缘上施加直流高压时，如果
绝缘中有气泡，在直流电压作用
下，气泡中因局部放电而产生的
正、负电荷将反向运动，停留在
气泡壁上。这样便使外电场在气
泡里的强度不断减弱，从而抑制 了气泡内部的局部放电过程。
如果外施电压为交流电压，则上述气
泡内的反向电场刚建立不久，外施电
压即反向，此时外施电场与附加电场
RxC 0.33
直流高压设备参数选择2
UT是工频试验变压器T的输出电压有效值,ISM是根据 硅堆的过载特性曲线所确定的短时允许过电流峰值。
对有自动跳闸装置的直流高压试验设备一般取过载
时间为0.5s下的过电流值即可。
通常R约在数十千欧至数百千欧之间。
R 2 UT / I SM
直流高压设备参数选择3
直流试验3——直流泄漏电流试验
一、试验目的和原理
测直流泄漏电流与绝缘电阻测 量的原理是相同的，都是加直 流电压，检测对象都是流过绝 缘的泄漏电流，所不同之处是 泄漏电流试验是直接测泄漏电 流，而绝缘电阻测量时通过测 量机构(如流比计)将泄漏电流 换算成绝缘电阻值指示出来。
测直流泄漏电流较测绝缘电阻的优点
直流耐压试验的特点
(1)试验设备轻小。
在对电气设备进行交流耐压时，通过的是电容电流，
这对一般电容很大的被试品，在交流试验电压升高 时电容电流比较大。需要容量较大的试验变压器。 直流耐压试验，所通过的是泄漏电流，其数值最多 只达毫安级，核算到试验变压器的容量是微不足道 的。直流耐压试验设备比较轻便，便于在现场进行 预防性试验。
测量时，在电气设备绝缘上加直流电压，绝缘电阻 就是吸收过程结束后稳态电流所对应的电阻。
直流试验2——测量吸收比
根据绝缘电阻的大小就可以判断绝缘整体性能良好 与否或者判断是否存在分布性的缺陷。 对于存在明显吸收现象的电气设备绝缘，还可以根 据吸收比K的大小来判断绝缘的整体性能：
兆欧表由手摇式直流发电机(实际由交流发电机 加上半导体整流组成)和永磁式流比计型测量机 构组成。