第2篇电气绝缘与高电压实验
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第二篇 电气设备与高电压试验
主讲人：陈兆权 博士 安徽理工大学
5.2 直流高电压试验
➢5.2.1 直流高电压的产生 ➢5.2.2 直流工频高电压的测量 ➢5.2.3 绝缘的直流耐压试验
5.2.1直流高电压的产生
一些高压试验设备，如冲击电压发生器和冲 击电压电流发生器，需要直流高压作电源。直流 高电压在其他科技领域也有厂泛的应用，其中包 括静电喷漆、静电纺织、静电除尘、X射线发生器、 等离子体加速以及原子核物理研究中都使用直流 高压作为电源。为了获得直流高电压，最常用的 就是变压器和整流装置的组合，另外还有通过静 电方式产生直流高压。
图5-15电源变压器两端对地绝缘的倍 压电路
3. 串级直流发生器
利用图5-17(a)的倍压整流电路作为基本单元，多 级串联起来即可组成一台串级直流高压发生器，如图 5-17(b)所示。
图5-17（a）基本倍压整流电路
图5-17(b)两极串级直流高压发生器接线图
5.2.2 直流工频高电压的测量
1.高压高组法 高阻可作为放大器或分压器来使用。采用平均值
——波尾时间常数
2 ——波前时间常数
图5-23 (a) 双指数函数冲击电压波
波前， 波尾，
图5-24 (a)可获得冲击电压波前的回路 (b)Fra Baidu bibliotek获得冲击电压波尾的回路
实际冲击电压发生器采用图5-26的回路。
图5-26 冲击电压发声器常用回路
放电回路的利用系数
3.多级冲击电压发生器
➢ 单级冲击电压发生器能产生的最高电压一般不超过 200～300kV。
6. 纹波电压的测量 如图5-20所示，在电容与电阻的串联回路上施加
含有纹波电压分量Ur的直流电压。当纹波电压的频率f 时，电阻R两端的电压为：
V j2fCRVr /(1 j2fCR)
如果2fCR 1，则U Ur，可得
到纹波电压。
图5-20 纹波电压测量
5.2.3 绝缘的直流耐压试验
直流高压能反映设备受潮、劣化和局部缺陷 等多方面的问题。它和交流耐压试验相比主要有 以下一些特点： （1）试验设备可以做得比较轻巧，适合于现场预 防性试验的要求。 （2）在试验时可以同时测量泄漏电流。 （3）直流耐压试验比之交流耐压试验更能发现电 机端部的绝缘缺陷。 （4）在直流高压下，局部放电较弱。
流电压时，会出现下 述所提到的放电电压 的波动，因此，IEC 规定中，推荐使用图 5-19所示结构的棒一 棒间隙。
图5-19直流电压测量用棒间隙
5. 标准球间隙
测量装置以及测量方法与测量交流电压时一样。 但大气中的灰尘或纤维等会引起放电电压的变化，就 是说长时间加压时，放电电压可能会变得特别低。因 此，在测量直流时，推荐采用前面所述的棒一棒间隙。 用球隙测量直流电压时，应在间隙的轴垂直方向维持 稳定的气流，气流最低为3m/s。
（1）额定平均输出电压Ud （2）额定平均输出电流Id
Ud
U max
U min 2
Id
Ud RL
（3）电压脉动系数S
U
S Ud
式中U U max U min 表示电压脉动幅度。
2
2. 倍压整流回路
采用倍压整流回路可
获得等于(2～3)Ｕm的直流
电压。如图5-15所示，这 种电路实际上可看作两个 半波电路的叠加，因而它 的参数计算可参照半波电 路的计算原则进行。
不确定度在1％以内。其
结构如图5-18所示。
图5-18 旋转电位计
3. 静电电压表 与交流电压的测量原理一样，可测量直流电
压的平均值。但是，在工作原理上，它表示的是 直流电压瞬时值平方的平均值，因此，在纹波较 大的情况下，测量值就不是直流电压的平均值， 这一点必须加以注意。
4. 标准棒一棒间隙 用球间隙测量直
1. 半波整流回路
应用最广泛的产生直流高压的方法是将交流电压 通过整流元件整流而获得。常用的整流设备如图5-14 所示的半波整流电路（a）及其输出波形（b）。
（a）
（b）
图5-14半波整流电路(a)及输出电压波形图(b)
整流回路的基本技术参数有三个，即输出的额定
直流电压（算术平均值）Ud,相应的额定直流电流 （平均值）Id以及电压脉动系数S(纹波系数)。
5.3 冲击高电压试验
➢5.3.1 冲击高电压的产生 ➢5.3.2 冲击高电压的测量 ➢5.3.3 绝缘的冲击耐压试验
5.3.1 冲击高电压的产生
1. 冲击发生器的基本原理 冲击电压发生器的原理图如图5-22所示。
图5-22 冲击电压发生器原理图
2.基本回路 标准雷电冲击全波采用的是非周期性双指数波。
➢ 因而采用多级叠加的方法来产生波形和幅值都能满 足需要的冲击高电压波。
多级冲击电压发生器原理接线图:
图5-27多级冲击电压发生器的原理接线图
基本原理:并联充电，串联放电
图5-28 冲击电压发生器充电过程等值电路
图5-29冲击电压发生器放电过程等值电路
冲击电压发生器的起动方式：
自起动方式：只要将点火球隙F1的极间距离调节到使 其击穿电压等于所需的充电电压 UC ，当F1上的电压 上升到等于UC 时，F1即自行击穿，起动整套装置。
球隙和峰值电压表只能测量电压峰值，示波器则 能记录波序，即不仅指示峰值而且能显示电压随时间 的变化过程。
1. 分压器与数字记录仪（示波器） 由于可同时测定波形和峰值，所以在测量中被广泛
使用。由于数字记录仪的输入电压一般小于数百伏，所 以常和分压器一起构成冲击电压测量系统来进行测量， 如图5-30所示。
型指示仪表对纹波小的直流电压进行测量时，由于杂 散电容的影响可以忽略，所以不需要对测量高阻进行 屏蔽；当对纹波较高的直流电压的最大值进行测量时 ，由于杂散电容的影响，会造成测量误差，可将高阻 进行屏蔽或采用阻容分压器。
2. 旋转电位计
电极在电场中旋转， 由于电极间电容的变化， 形成充放电电荷，通过测 量充放电电荷的大小，从 而求得直流电压的最大值 和平均值的一种装置。旋 转电位计的测量精度高，
方式二：使各级电容器充电到一个略低于F1击穿电压 的水平上，处于准备动作的状态，然后利用点火装置
产生一点火脉冲，送到点火球隙F1中的一个辅助间隙 上使之击穿并引起F1的主间隙击穿,起动整套装置。
5.3.2 冲击高电压的测量
目前最常用的测量冲击电压的方法有： ①分压器-示波器； ②测量球隙； ③分压器-峰值电压表。
主讲人：陈兆权 博士 安徽理工大学
5.2 直流高电压试验
➢5.2.1 直流高电压的产生 ➢5.2.2 直流工频高电压的测量 ➢5.2.3 绝缘的直流耐压试验
5.2.1直流高电压的产生
一些高压试验设备，如冲击电压发生器和冲 击电压电流发生器，需要直流高压作电源。直流 高电压在其他科技领域也有厂泛的应用，其中包 括静电喷漆、静电纺织、静电除尘、X射线发生器、 等离子体加速以及原子核物理研究中都使用直流 高压作为电源。为了获得直流高电压，最常用的 就是变压器和整流装置的组合，另外还有通过静 电方式产生直流高压。
图5-15电源变压器两端对地绝缘的倍 压电路
3. 串级直流发生器
利用图5-17(a)的倍压整流电路作为基本单元，多 级串联起来即可组成一台串级直流高压发生器，如图 5-17(b)所示。
图5-17（a）基本倍压整流电路
图5-17(b)两极串级直流高压发生器接线图
5.2.2 直流工频高电压的测量
1.高压高组法 高阻可作为放大器或分压器来使用。采用平均值
——波尾时间常数
2 ——波前时间常数
图5-23 (a) 双指数函数冲击电压波
波前， 波尾，
图5-24 (a)可获得冲击电压波前的回路 (b)Fra Baidu bibliotek获得冲击电压波尾的回路
实际冲击电压发生器采用图5-26的回路。
图5-26 冲击电压发声器常用回路
放电回路的利用系数
3.多级冲击电压发生器
➢ 单级冲击电压发生器能产生的最高电压一般不超过 200～300kV。
6. 纹波电压的测量 如图5-20所示，在电容与电阻的串联回路上施加
含有纹波电压分量Ur的直流电压。当纹波电压的频率f 时，电阻R两端的电压为：
V j2fCRVr /(1 j2fCR)
如果2fCR 1，则U Ur，可得
到纹波电压。
图5-20 纹波电压测量
5.2.3 绝缘的直流耐压试验
直流高压能反映设备受潮、劣化和局部缺陷 等多方面的问题。它和交流耐压试验相比主要有 以下一些特点： （1）试验设备可以做得比较轻巧，适合于现场预 防性试验的要求。 （2）在试验时可以同时测量泄漏电流。 （3）直流耐压试验比之交流耐压试验更能发现电 机端部的绝缘缺陷。 （4）在直流高压下，局部放电较弱。
流电压时，会出现下 述所提到的放电电压 的波动，因此，IEC 规定中，推荐使用图 5-19所示结构的棒一 棒间隙。
图5-19直流电压测量用棒间隙
5. 标准球间隙
测量装置以及测量方法与测量交流电压时一样。 但大气中的灰尘或纤维等会引起放电电压的变化，就 是说长时间加压时，放电电压可能会变得特别低。因 此，在测量直流时，推荐采用前面所述的棒一棒间隙。 用球隙测量直流电压时，应在间隙的轴垂直方向维持 稳定的气流，气流最低为3m/s。
（1）额定平均输出电压Ud （2）额定平均输出电流Id
Ud
U max
U min 2
Id
Ud RL
（3）电压脉动系数S
U
S Ud
式中U U max U min 表示电压脉动幅度。
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2. 倍压整流回路
采用倍压整流回路可
获得等于(2～3)Ｕm的直流
电压。如图5-15所示，这 种电路实际上可看作两个 半波电路的叠加，因而它 的参数计算可参照半波电 路的计算原则进行。
不确定度在1％以内。其
结构如图5-18所示。
图5-18 旋转电位计
3. 静电电压表 与交流电压的测量原理一样，可测量直流电
压的平均值。但是，在工作原理上，它表示的是 直流电压瞬时值平方的平均值，因此，在纹波较 大的情况下，测量值就不是直流电压的平均值， 这一点必须加以注意。
4. 标准棒一棒间隙 用球间隙测量直
1. 半波整流回路
应用最广泛的产生直流高压的方法是将交流电压 通过整流元件整流而获得。常用的整流设备如图5-14 所示的半波整流电路（a）及其输出波形（b）。
（a）
（b）
图5-14半波整流电路(a)及输出电压波形图(b)
整流回路的基本技术参数有三个，即输出的额定
直流电压（算术平均值）Ud,相应的额定直流电流 （平均值）Id以及电压脉动系数S(纹波系数)。
5.3 冲击高电压试验
➢5.3.1 冲击高电压的产生 ➢5.3.2 冲击高电压的测量 ➢5.3.3 绝缘的冲击耐压试验
5.3.1 冲击高电压的产生
1. 冲击发生器的基本原理 冲击电压发生器的原理图如图5-22所示。
图5-22 冲击电压发生器原理图
2.基本回路 标准雷电冲击全波采用的是非周期性双指数波。
➢ 因而采用多级叠加的方法来产生波形和幅值都能满 足需要的冲击高电压波。
多级冲击电压发生器原理接线图:
图5-27多级冲击电压发生器的原理接线图
基本原理:并联充电，串联放电
图5-28 冲击电压发生器充电过程等值电路
图5-29冲击电压发生器放电过程等值电路
冲击电压发生器的起动方式：
自起动方式：只要将点火球隙F1的极间距离调节到使 其击穿电压等于所需的充电电压 UC ，当F1上的电压 上升到等于UC 时，F1即自行击穿，起动整套装置。
球隙和峰值电压表只能测量电压峰值，示波器则 能记录波序，即不仅指示峰值而且能显示电压随时间 的变化过程。
1. 分压器与数字记录仪（示波器） 由于可同时测定波形和峰值，所以在测量中被广泛
使用。由于数字记录仪的输入电压一般小于数百伏，所 以常和分压器一起构成冲击电压测量系统来进行测量， 如图5-30所示。
型指示仪表对纹波小的直流电压进行测量时，由于杂 散电容的影响可以忽略，所以不需要对测量高阻进行 屏蔽；当对纹波较高的直流电压的最大值进行测量时 ，由于杂散电容的影响，会造成测量误差，可将高阻 进行屏蔽或采用阻容分压器。
2. 旋转电位计
电极在电场中旋转， 由于电极间电容的变化， 形成充放电电荷，通过测 量充放电电荷的大小，从 而求得直流电压的最大值 和平均值的一种装置。旋 转电位计的测量精度高，
方式二：使各级电容器充电到一个略低于F1击穿电压 的水平上，处于准备动作的状态，然后利用点火装置
产生一点火脉冲，送到点火球隙F1中的一个辅助间隙 上使之击穿并引起F1的主间隙击穿,起动整套装置。
5.3.2 冲击高电压的测量
目前最常用的测量冲击电压的方法有： ①分压器-示波器； ②测量球隙； ③分压器-峰值电压表。