高電壓產(chǎn)生設(shè)備與測(cè)量技術(shù)

教學(xué)情境三

高電壓產(chǎn)生設(shè)備與測(cè)量技術(shù)

任務(wù)一沖擊電壓發(fā)生器任務(wù)二沖擊電流發(fā)生器任務(wù)三試驗(yàn)變壓器的組成任務(wù)四直流高電壓的產(chǎn)生

任務(wù)五高電壓測(cè)量任務(wù)一沖擊電壓發(fā)生器教學(xué)任務(wù)了解沖擊電壓發(fā)生器的組成結(jié)構(gòu)，注意事項(xiàng)理解沖擊電壓發(fā)生器的原理

雷電波和操作沖擊電壓波的特點(diǎn)：根據(jù)實(shí)測(cè)，雷電波是一種非周期性脈沖，它的波前時(shí)間為0.5～10us，半峰值時(shí)間為20～90us。雷電波又可分為全波和截波兩種，截波是利用截波裝置把沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生的沖擊波突然截?cái)?，電壓急劇下降?lái)獲得的，截?cái)嗟臅r(shí)間可以調(diào)節(jié)，或發(fā)生在波前或發(fā)生在波尾。操作沖擊電壓波的持續(xù)時(shí)間比雷電沖擊電壓波長(zhǎng)得多，形狀比較復(fù)雜，而且它的形狀和持續(xù)時(shí)間，隨線路的具體參數(shù)和長(zhǎng)度的不同而異，不過(guò)目前國(guó)際上趨向于用一種幾百微秒波前和幾千微秒波長(zhǎng)的長(zhǎng)脈沖來(lái)代表它。

一、作用

1、沖擊電壓發(fā)生器是一種產(chǎn)生脈沖波的高電壓發(fā)生裝置，可用于研究電力設(shè)備遭受大氣過(guò)電壓(雷擊)和操作過(guò)電壓時(shí)的絕緣性能。沖擊電壓發(fā)生器主要用于電力設(shè)備等試品進(jìn)行雷電沖擊電壓全波、雷電沖擊電壓截波和操作沖擊電壓波的沖擊電壓試驗(yàn)，檢驗(yàn)絕緣性能。沖擊電壓的破壞作用不僅決定于幅值，還與波前陡度有關(guān)，對(duì)某些設(shè)備還要采用截?cái)嗖▉?lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

一、作用

2、沖擊電壓發(fā)生器還可用來(lái)作為納秒脈沖功率裝置的重要組成部分。3、在大功率電子束和離子束發(fā)生器以及二氧化碳激光器中，可作為電源裝置。

二、沖擊電壓發(fā)生器的要求

輸出電壓高（幾十萬(wàn)伏到幾百萬(wàn)伏）。波形要達(dá)到規(guī)定的要求。

三、沖擊電壓發(fā)生器基本電路（Marx）

沖擊電壓發(fā)生器基本回路T—試驗(yàn)變壓器；V—高壓硅堆；r—保護(hù)電阻；R—充電電阻；C1～C4—主電容器；rd—阻尼電阻；C‘—對(duì)地雜散電容；g1—點(diǎn)火球隙；g2~g4—中間球隙；g0—隔離球隙；Rt—放電電阻；Rf—波前電阻；C0—試品及測(cè)量設(shè)備等電容

四、基本原理

靠電容器串聯(lián)放電獲得高壓。電容器并聯(lián)充電，而后串聯(lián)放電。

分析：

試驗(yàn)變壓器T和高壓硅堆v構(gòu)成整流電源，經(jīng)過(guò)保護(hù)電阻r及充電電阻R向主電容器C1～C4充電，充電到U，出現(xiàn)在球隙g1～g4上的電位差也為U，假若事先把球間隙距離調(diào)到稍大于u，球間隙不會(huì)放電。當(dāng)需要使沖擊機(jī)動(dòng)作時(shí)，可向點(diǎn)火球隙的針極送去一脈沖電壓，針極和球皮之間產(chǎn)生一小火花，引起點(diǎn)火球隙放電，于是電容器C1的上極板經(jīng)g1接地，點(diǎn)1電位由地電位變?yōu)?U。

分析：

電容器C1與C2間有充電電阻R隔開(kāi)，R比較大，在g1放電瞬間，由于C'的存在，點(diǎn)2和點(diǎn)3電位不可能突然改變，點(diǎn)3電位仍為-U，中間球隙g2上的電位差突然上升到2U，g2馬上放電，于是點(diǎn)2電位變?yōu)?2U。同理，g3、g4也跟著放電，電容器C1～C4串聯(lián)起來(lái)了。最后隔離球隙g0也放電，此時(shí)輸出電壓為C1～C4上電壓的總和，即+4U。上述過(guò)程可被概括為“電容器并聯(lián)充電，而后串聯(lián)放電”。由并聯(lián)變成串聯(lián)是靠一組球隙來(lái)達(dá)到。要求這組球隙在g1不放電時(shí)都不放電，一旦g1放電，則順序逐個(gè)放電。滿足這個(gè)條件的，稱為球隙同步好，否則就稱為同步不好。

R的阻值很大，在充電時(shí)起電路的連接作用，在放電時(shí)又起隔離作用。

沖擊電壓發(fā)生器是靠電容器串聯(lián)放電來(lái)獲得高電壓的。每臺(tái)電容器有不同電位。應(yīng)該按照電位來(lái)把電容器分布在相應(yīng)的位置上，電容器和地之間，電容器相互之間都應(yīng)保持一定的絕緣距離，所以標(biāo)稱電壓越高，沖擊電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)也越高。沖擊電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)可因條件和要求的不同而異，如有的是戶內(nèi)的，有的是露天的，有的是固定的，有的是可移動(dòng)的。電容器的形式常常是沖擊電壓發(fā)生器結(jié)構(gòu)形式的決定性因素。

五、沖擊電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)

分為階梯式、塔式、柱式及圓筒式四種。

1）階梯式的結(jié)構(gòu)，由于連線長(zhǎng)，回路大，電感大，技術(shù)性能差而且占地大，現(xiàn)已不再采用。

2）塔式塔式?jīng)_擊電壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)是豎立的多層絕緣臺(tái)，逐層放上電容器。塔式結(jié)構(gòu)的柱子按結(jié)構(gòu)高低，承重大小可采取三柱、四柱、甚至更多柱子。塔式結(jié)構(gòu)中電容器被重疊布置在一條垂直線上，不少垂直空氣間隙被電容器本體所占用，將使結(jié)構(gòu)高度較高。塔式結(jié)構(gòu)占地小，高度適中，拆裝檢修方便，是目前較多采用的一種結(jié)構(gòu)。3）柱式柱式?jīng)_擊電壓發(fā)生器是把絕緣殼的電容器和相同直徑的絕緣筒交換疊裝成柱狀。柱子根數(shù)可以為單根，也可以為多根。柱式結(jié)構(gòu)利用電容器外殼作為絕緣柱的一部分，結(jié)構(gòu)比較緊湊，外表比較美觀。這種結(jié)構(gòu)要求電容器必須是絕緣殼的，而且尺寸必須合適。當(dāng)要撤換底下一個(gè)電容器時(shí)必須拆掉整個(gè)柱子。如有合適尺寸的電容器，裝出來(lái)的柱式?jīng)_擊電壓發(fā)生器不僅外表美觀，而且技術(shù)性能是比較高的。4）圓筒式圓筒式結(jié)構(gòu)沖擊電壓發(fā)生器是把電容器布置在一大圓筒內(nèi)，整個(gè)裝置外形是一個(gè)大圓筒，或幾個(gè)疊裝的大圓筒，筒內(nèi)充滿油，利用油間隙作為電容器間的絕緣距離。由于油的絕緣強(qiáng)度比空氣高得多，所以這種結(jié)構(gòu)的尺寸小，連線短，移動(dòng)方便，外觀較好看，技術(shù)性能比較高。但是當(dāng)一個(gè)電容器損壞時(shí)將使整個(gè)裝置不能使用。通常把整個(gè)裝置的電容器分裝在幾個(gè)大筒內(nèi)，萬(wàn)一一個(gè)筒內(nèi)出現(xiàn)故障，其余的筒尚可工作。這種結(jié)構(gòu)的沖擊電壓發(fā)生器，多半是由制造廠特制成套供應(yīng)。

特

點(diǎn)

回路電感小，并采取帶電阻Rf濾波措施，在大電容量負(fù)載下能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)沖擊波，負(fù)載能力大；電壓利用系數(shù)高，雷電波和操作波分別不低于85％和80％；調(diào)波方便，操作簡(jiǎn)單，同步性能好，動(dòng)作可靠；采用恒流充電自動(dòng)控制技術(shù)，自動(dòng)化程度高，抗干擾能力強(qiáng)；主要技術(shù)參數(shù)

標(biāo)稱電壓：±300KV-4800KV

每級(jí)電壓：±150KV-1200KV

級(jí)電容量：0.325-1.0μF

沖擊能量：7.31-480

KJ適用范圍

變壓器、電抗器、互感器及其它高壓電器、電力電纜、各類高壓絕緣子、套管等試品的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊，雷電截?cái)嗖?，操作沖擊及用戶要求的非標(biāo)準(zhǔn)沖擊波的各類沖擊電壓試驗(yàn)。

主要性能特點(diǎn)發(fā)生器主體級(jí)電壓為100kV，符合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)。主體結(jié)構(gòu)采用世界著名公司HAEFELY的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)最緊湊的發(fā)生器，具有固有電感小，調(diào)波方便的特點(diǎn)。技術(shù)方案所采用的控制測(cè)量系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的產(chǎn)品，核心器件為日本三菱公司的FX系列可編程控制器，幾乎所有的控制功能都由軟件編程實(shí)現(xiàn)，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外圍電路板極少，可靠性極高。

主要性能特點(diǎn)技術(shù)方案的測(cè)控結(jié)構(gòu)一體化整體設(shè)計(jì)，具有峰值電壓表、液晶顯示工業(yè)計(jì)算機(jī)，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制測(cè)量分析。測(cè)控系統(tǒng)采用液晶觸摸屏操作，具有多種狀態(tài)提示畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話式的智能操作。系統(tǒng)取消了多芯控制電纜，采用光纖通訊線，無(wú)須開(kāi)電纜溝，使得控制室布局更加簡(jiǎn)單方便。

主要性能特點(diǎn)光纖控制傳輸系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)高壓試驗(yàn)設(shè)備中是首創(chuàng)，它實(shí)現(xiàn)了控制測(cè)量設(shè)備與高壓主體設(shè)備的光纖連接，有效地解決了高壓試驗(yàn)中遇到的地電位抬高對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的危害，排除了由控制引線導(dǎo)致的電磁干擾，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性，特別是在進(jìn)行截波和陡波沖擊試驗(yàn)時(shí)安全性更好。

任務(wù)二沖擊電流發(fā)生器教學(xué)任務(wù)了解沖擊電流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，注意事項(xiàng)理解沖擊電流發(fā)生器的原理一、作用沖擊電流發(fā)生器主要用以檢驗(yàn)電氣設(shè)備耐受沖擊電流穩(wěn)定的能力，廣泛應(yīng)用于氧化鋅避雷器閥片進(jìn)行沖擊電流試驗(yàn)，也可以用于其它研究性試驗(yàn)。沖擊電流發(fā)生器可以產(chǎn)生瞬間的沖擊電流波，用作模擬設(shè)備在雷擊過(guò)電壓、操作過(guò)電壓等短時(shí)高壓大電流作用下特性試驗(yàn)。

二、特點(diǎn)

體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)波方便；輸出電流大(4/10mS波形達(dá)到120kA)；采用下球氣缸推動(dòng)觸發(fā)方式，同步性能好，動(dòng)作可靠；每只主電容器套管上都串有一只大能量的無(wú)感吸能電阻，確保主電容器的安全；采用恒流充電計(jì)算機(jī)測(cè)量控制一體化系統(tǒng)，自動(dòng)化程度高，抗干擾能力強(qiáng)。

三、基本原理

數(shù)臺(tái)或數(shù)組大容量的電容器經(jīng)由高壓直流裝置，以整流電壓或恒流方式進(jìn)行并聯(lián)充電，然后通過(guò)間隙放電使試品上流過(guò)沖擊大電流。圖7—11表示以高壓整流電壓作為充電電源的沖擊電流發(fā)生器的基本回路。

圖中C為許多并聯(lián)電容器的電容總值。L及R為包括電容器、回路連線、分流器、球隙以及試品上火花在內(nèi)的電感及電阻值，有時(shí)也包括為了調(diào)波而外加的電感和電阻值。G為點(diǎn)火球間隙，V為硅堆，r為保護(hù)電阻，T為充電變壓器，O為試品，S為分流器，Cl、C2為分壓器，CR0為示波器。分壓器是用來(lái)測(cè)量試品上電壓的，分流器其實(shí)是個(gè)無(wú)感小電阻，.是用來(lái)測(cè)量流經(jīng)試品的電流的。工作時(shí)先由整流裝置向電容器組充電到所需電壓，送一觸發(fā)脈沖到三球間隙G，使G擊穿，于是電容器組C經(jīng)L、R及試品放電。根據(jù)充電電壓的高低和回路參數(shù)的大小，可產(chǎn)生不同大小的脈沖電流。

產(chǎn)品簡(jiǎn)介

CJL系列沖擊電流發(fā)生器主要適于對(duì)避雷器電阻片、壓敏電阻、放電管等防雷浪涌保護(hù)產(chǎn)品進(jìn)行各種沖擊電流試驗(yàn)，并測(cè)定其在沖擊電流下的電壓和電流參數(shù)。也可以配套進(jìn)行試品的動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)。由于沖擊電流發(fā)生器波形、最大電流、功能組合和試品種類等都有所不同，所以設(shè)備結(jié)構(gòu)都有所不同，一般小型的為臺(tái)式儀器，中型為柜式，大型為分體式。多種波形組合，可以在一臺(tái)設(shè)備上產(chǎn)生多種電流波形，從而具有極佳的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。集自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)充電、自動(dòng)接地于一體，操作上安全可靠，高效省力。任務(wù)三試驗(yàn)變壓器的組成教學(xué)任務(wù)熟悉試驗(yàn)變壓器的結(jié)構(gòu)理解試驗(yàn)變壓器的作用油浸式電力變壓器的結(jié)構(gòu)

線圈絕緣紙筒電力變壓器的絕緣分為內(nèi)絕緣和外絕緣，以油箱為界。內(nèi)絕緣分為主絕緣和縱絕緣。主絕緣：繞組對(duì)地間（包括相間）以及其他繞組間的絕緣；縱絕緣：同一繞組內(nèi)部各部分間的絕緣。端部出線一、作用產(chǎn)生工頻高壓試驗(yàn)電壓。作為直流高壓和沖擊高壓設(shè)備的電源變壓器。產(chǎn)生操作波試驗(yàn)電壓。

二、特點(diǎn)

與一般電力變壓器比較，試驗(yàn)變壓器有以下特點(diǎn)：1、變壓器的容量不大。2、變壓器一般為單相油浸式。3、由于變壓器連續(xù)工作時(shí)間短，不需要散熱裝置。4、絕緣裕度較低，不需考慮變壓器受大氣或內(nèi)部過(guò)電壓的影響。5、工頻輸出電壓高，可達(dá)到幾百到幾千KV。

三、結(jié)構(gòu)形式高電壓試驗(yàn)變壓器大多采用油浸式變壓器，該種變壓器有金屬殼及絕緣殼兩類結(jié)構(gòu)型式。金屬殼變壓器可分為單套管和雙套管兩種。油浸式單套管鐵殼試驗(yàn)變壓器外形如圖7—5所示。雙套管式的變壓器如圖7—6所示。絕緣殼式的高壓變壓器如圖7—7所示。試驗(yàn)變壓器

試驗(yàn)變壓器的運(yùn)行條件與電力變壓器有不同1)試驗(yàn)變壓器在大多數(shù)情況下工作在電容性負(fù)荷下；而電力變壓器一般工作在電感性負(fù)荷下。2)試驗(yàn)變壓器所需試驗(yàn)功率不大，所以變壓器的容量不很大；而高壓電力變壓器的容量都很大。3)試驗(yàn)變壓器在工作時(shí)，經(jīng)常要試品放電；電力變壓器在正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)生事故短路的機(jī)會(huì)是不多的，而且即使發(fā)生，繼電保護(hù)裝置會(huì)立即斷開(kāi)電源。試驗(yàn)變壓器的運(yùn)行條件與電力變壓器有不同4)電力變壓器在運(yùn)行中可能受到大氣過(guò)電壓及操作過(guò)電壓的侵襲；而試驗(yàn)變壓器并不受到大氣過(guò)電壓的作用，但由于試品放電的緣故，它在工作時(shí)也可能在繞組上產(chǎn)生梯度過(guò)電壓。5)試驗(yàn)變壓器工作時(shí)間短，在額定電壓下滿載運(yùn)行的時(shí)間更短。譬如進(jìn)行電氣設(shè)備的耐壓試驗(yàn)常常是1min工頻耐壓，而電力變壓器則幾乎終年或多年在額定電壓下滿載運(yùn)行。6)試驗(yàn)變壓器工作溫度低；而電力變壓器溫升較高，也因此電力變壓器都帶有散熱管、風(fēng)冷甚至強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻裝置，而試驗(yàn)變壓器則沒(méi)有各種附加的散熱裝置或只有簡(jiǎn)單的散熱裝置。任務(wù)四直流高電壓的產(chǎn)生教學(xué)任務(wù)了解直流高電壓的測(cè)量?jī)x表及技術(shù)了解直流高壓的產(chǎn)生方法

一、直流高電壓的用途測(cè)量介質(zhì)的泄漏電流。直流耐壓試驗(yàn)。超高壓直流輸電的電力設(shè)備(換流設(shè)備和直流輸電線路)進(jìn)行直流高壓試驗(yàn)。作為沖擊耐壓試驗(yàn)的電源。

二、直流高壓的產(chǎn)生

將工頻高壓進(jìn)行整流獲得（采用高壓硅堆）1、半波整流電路

組成v高壓硅堆具有體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、使用簡(jiǎn)便和無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)，普遍用于直流高壓設(shè)備中作為基本的整流元件。一個(gè)硅堆常由數(shù)個(gè)至數(shù)十個(gè)硅整流二極管串聯(lián)封裝而成。v增加保護(hù)電阻R，這是為了限制試品(或電容器C)發(fā)生擊穿或閃絡(luò)時(shí)以及當(dāng)電源向電容器C突然充電時(shí)通過(guò)高壓硅堆和變壓器的電流，以免損壞高壓硅堆和變壓器。當(dāng)然對(duì)于在試驗(yàn)中因瞬態(tài)過(guò)程引起的過(guò)電壓，R和C也起抑制作用。

原理v當(dāng)二極管上外加正向電壓Uf很小時(shí)正向電流很小，但當(dāng)Uf大于某一值UF后，正向電流If則隨Uf的增大而迅速增大，稱UF為死角電壓，約為0.4V～0.6V。v又當(dāng)外加反壓Ur于二極管時(shí)則二極管呈現(xiàn)很大阻抗，其反向電流Ir很小(約幾微安)，并隨反壓增加而稍有增長(zhǎng)，但當(dāng)反壓超過(guò)某一值UR后Ir則急劇增大，UR稱為擊穿電壓,可達(dá)數(shù)千伏至上萬(wàn)伏。

任務(wù)五高電壓測(cè)量教學(xué)任務(wù)熟悉高電壓測(cè)量的原理了解高電壓測(cè)量的結(jié)構(gòu)作用一、交流高電壓的測(cè)量球隙—利用球隙氣體放電來(lái)測(cè)量電壓的峰值高壓靜電電壓表—測(cè)量電壓的有效值電容分壓器—測(cè)量電壓的有效值

二、直流高壓的測(cè)量

1、用球隙測(cè)量直流高壓的最大值在一定的大氣條件下，一定直徑的銅球，當(dāng)球間距離一定時(shí)，其擊穿電壓是固定的。

2、高壓靜電電壓表其結(jié)構(gòu)主要是兩個(gè)電極，一個(gè)是固定的，另一個(gè)是可動(dòng)的。利用兩極間的電場(chǎng)力使可動(dòng)電極偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)電壓的測(cè)量，其偏轉(zhuǎn)角的大小與被測(cè)電壓的平方成正比。（應(yīng)在無(wú)風(fēng)和無(wú)離子場(chǎng)所使用）3、電阻分壓器

R1——高壓臂電阻

R2——低壓臂電阻缺點(diǎn)：因V內(nèi)阻影響，準(zhǔn)確度不高，且分壓器的準(zhǔn)確度不高，分壓比不易測(cè)準(zhǔn)4、利用試驗(yàn)變壓器的變比進(jìn)行測(cè)量

設(shè)試驗(yàn)變壓器的變比為K，當(dāng)泄漏電流很小時(shí)：U2=k*u1