直流高電壓試驗(yàn)

電氣設(shè)備常需進(jìn)行直流高電壓下的絕緣耐受試驗(yàn)，也稱直流耐受試驗(yàn)，如測(cè)量設(shè)備的泄漏電流就需要施加直流高電壓。另外，一些電容量較大的交流設(shè)備，如電力電纜，需用直流高電壓試驗(yàn)來(lái)代替交流高電壓試驗(yàn)；對(duì)于超特高電壓直流輸電設(shè)備，則更需要進(jìn)行直流高電壓試驗(yàn)。此外，一些高電壓試驗(yàn)設(shè)備，如沖擊高電壓試驗(yàn)設(shè)備，也需用直流高電壓作電源。因此，直流高電壓試驗(yàn)設(shè)備是進(jìn)行高電壓試驗(yàn)的一項(xiàng)基本設(shè)備。

1 直流高電壓試驗(yàn)的特點(diǎn)

直流耐壓試驗(yàn)與測(cè)量直流泄漏電流的試驗(yàn)在方法上是一致的，但從試驗(yàn)的作用來(lái)看則有所不同，前者是試驗(yàn)絕緣強(qiáng)度，其試驗(yàn)電壓較高；后者是檢查絕緣情況，試驗(yàn)電壓較低。目前在發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電力電纜、電容器等設(shè)備的絕緣預(yù)防性試驗(yàn)中廣泛地應(yīng)用直流耐壓試驗(yàn)。它與交流耐壓試驗(yàn)相比，主要有以下一些特點(diǎn)：

(1)在進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)設(shè)備的容量P=ωC_XU²，對(duì)于試驗(yàn)電容量較大的試品時(shí)，需要較大容量的試驗(yàn)設(shè)備，這在一般情況下不容易辦到。而在直流電壓作用下，沒(méi)有電容電流，故進(jìn)行高壓直流耐壓試驗(yàn)時(shí)，只需供給較小的毫安級(jí)泄漏電流，試驗(yàn)設(shè)備可以做得體積小而且比較輕巧，適用于現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防性試驗(yàn)的要求。

(2)在進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)時(shí)，可以同時(shí)測(cè)量泄漏電流，并根據(jù)泄漏電流隨所加電壓的變化特性來(lái)判斷絕緣的狀況，以便及早地發(fā)現(xiàn)絕緣中存在的局部缺陷。

(3)直流耐壓試驗(yàn)比交流耐壓試驗(yàn)更能發(fā)現(xiàn)電機(jī)端部的絕緣缺陷。其原因是交流電壓作用下，絕緣內(nèi)部的電壓分布是按電容分布的，電機(jī)繞組絕緣的電容電流流向接地的定子鐵心，使得離鐵心越遠(yuǎn)的繞組絕緣上承受的電壓越低。而在直流電壓下，沒(méi)有電容電流流經(jīng)線棒絕緣，端部絕緣上的電壓與所加電壓相一致，有利于發(fā)現(xiàn)繞組端部的絕緣缺陷。

(4)直流耐壓試驗(yàn)對(duì)絕緣的損傷程度比交流耐壓小。交流耐壓試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的介質(zhì)損耗較大，容易引起絕緣發(fā)熱，促使絕緣老化變質(zhì)，對(duì)被擊穿的絕緣，其擊穿損傷部分面積大，增加修復(fù)的困難。

(5)由于直流電壓作用下在絕緣內(nèi)部的電壓分布和交流也壓作用下的電壓分布不同，因此不能用直流耐壓試驗(yàn)代替交流耐壓試驗(yàn)，在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)具體情況合理選擇使用。

(6)直流耐壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)電壓值的選擇是一個(gè)重要的問(wèn)題。如前所述，由于直流電壓下的介質(zhì)損耗小，局部放電的發(fā)展也遠(yuǎn)比交流耐壓試驗(yàn)時(shí)弱，因此在直流電壓作用下絕緣的擊穿強(qiáng)度比交流電壓作用下高。在選擇直流耐壓的試驗(yàn)電壓值時(shí)，必須考慮到這一點(diǎn)，并主要根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。例如對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組，按不同情況，其直流耐壓試驗(yàn)電壓值分別取2～3倍額定電壓。直流耐壓試驗(yàn)時(shí)的加壓時(shí)間也應(yīng)比交流耐壓試驗(yàn)要長(zhǎng)一些。如發(fā)電機(jī)試驗(yàn)電壓是以每級(jí)0.5倍額定電壓分階段升高的，每階段停留1min，讀取泄漏電流值。電力電纜試驗(yàn)時(shí)，在試驗(yàn)電壓下持續(xù)5min，以觀察試驗(yàn)現(xiàn)象并讀取泄漏電流值。

需要指出，一般直流高電壓試驗(yàn)如同雷電沖擊耐壓一樣通常都采用負(fù)極性試驗(yàn)電壓。

2 直流高電壓的產(chǎn)生

直流高電壓試驗(yàn)設(shè)備的基本技術(shù)參數(shù)有三個(gè)：輸出的額定直流電壓平均值U_av，相應(yīng)的額定直流電流平均值I_av，以及電壓脈動(dòng)系數(shù)S(電壓脈動(dòng)幅值δU與直流電壓平均值U_av之比)。根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，S應(yīng)不大于3%。

一般用整流設(shè)備來(lái)產(chǎn)生直流高電壓，常用的整流設(shè)備是高壓硅整流器(俗稱高壓硅堆)。圖6-4所示為由高壓硅堆組成的半波整流電路。它的原理和接線與電力電子技術(shù)中常用的低壓半波整流電路基本一樣，只是增加了一個(gè)保護(hù)電阻R_b。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。對(duì)于在試驗(yàn)中因瞬態(tài)過(guò)程引起的過(guò)電壓，R_b和C也起抑制作用。R_b阻值的選擇應(yīng)保證流過(guò)硅堆的短路電流(最大值)不超過(guò)允許的瞬時(shí)過(guò)載電流(最大值)。

如果沒(méi)有負(fù)載(R_L=∞)，并忽略電容器C的泄漏電流，則充電完畢后，電容器C兩端維持恒定電壓U_c，并等于變壓器高壓側(cè)交流電壓的最大值U_m，即U_c=U_m。而整流元件VD兩端承受的反向電壓u_D等于電容器C兩端電壓加上變壓器高壓側(cè)交流電壓，即u_D=U_c+U_msinωt，如圖6-5中的影線所示。最大反向電壓為U_D=2U_m，顯然整流元件能耐受的電壓應(yīng)大于2U_m。

當(dāng)接上負(fù)載后，在一個(gè)周期內(nèi)，電容C的電荷變化量為零，平均電流為零，而通過(guò)負(fù)載的電荷Q是由充電電源經(jīng)過(guò)整流元件VD供給的，所以通過(guò)整流元件的平均電流等于負(fù)載的平均電流。

從圖6-6可以看出，接上負(fù)載后，輸出電壓不再維持恒定，而是具有一定的電壓脈動(dòng)2δU。

通常負(fù)載電阻R_L遠(yuǎn)大于保護(hù)電阻R_b，為了便于分析起見(jiàn)，可忽略R_b。設(shè)電容C的平均電壓為U_av(亦即負(fù)載的平均電壓)，負(fù)載的平均電流為I_av，I_av=U_av/R_L，則在t₁～t₂電容放電期間，電容C通過(guò)負(fù)載放掉的電荷為

式中：T、f分別為充電電源的周期和頻率。

電容C因放掉電荷Q而產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)為

電壓脈動(dòng)系數(shù)為

可見(jiàn)，電壓脈動(dòng)隨負(fù)載電流增加而增大，增大電容量C或提高充電電源的頻率f可以成比例地減小電壓脈動(dòng)。

充電電源對(duì)電容C和負(fù)載R_L供電時(shí)，會(huì)在保護(hù)電阻R_b上產(chǎn)生電壓降(忽略變壓器繞組電陽(yáng)和整流元件的正向電阻壓降)，所以輸出的直流電壓將低于充電電壓的幅值U_m。電壓降落的平均值為?U_av=U_m- U_av。

在進(jìn)行直流高電壓試驗(yàn)時(shí)，常在C和R_L之間再串聯(lián)一個(gè)數(shù)千歐的電阻R_f，這是為了限制R_L發(fā)生閃絡(luò)或擊穿時(shí)電容C的放電電流。

3 倍壓整流

如欲得到更高的電壓并充分利用變壓器的功率，可采用圖6-7所示的倍壓整流電路。可以看出，圖6-7(a)所示倍壓整流電路實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)半波整流電路的疊加，近年來(lái)這種電路廣泛地作為絕緣芯變壓器直流高電壓裝置的基本單元。圖6-7(b)中，負(fù)半波期間充電電源經(jīng)VD1向C₁充電達(dá)U_m，正半波期間充電電源與C₁中聯(lián)起來(lái)經(jīng)VD2向C₂充電達(dá)2U_m，這是目前直流高電壓發(fā)生器中應(yīng)用較多的基本倍壓整流電路。圖6-7(c)所示為一種需兩端絕緣的電源變壓器的三倍壓整流回路。

為了獲得更高的直流電壓，可以利用圖6-7(b)所示的倍壓整流電路為基本單元組成串級(jí)直流高壓發(fā)生裝置，如圖6-8所示。下面簡(jiǎn)要地闡述這種電路的工作原理。當(dāng)1點(diǎn)電位為負(fù)時(shí)，整流元件VD2閉鎖，VD1導(dǎo)通；電源經(jīng)VD1向電容C₁充電，3端為正，1端為負(fù)；電容C₁上最大可能達(dá)到的電位差為接近于U_m；此時(shí)3點(diǎn)的電位接近于地電位。當(dāng)電源電壓由-U逐漸升高時(shí)，3點(diǎn)的電位也隨之被抬高，此時(shí)VT1便閉鎖。當(dāng)3點(diǎn)的電位比2點(diǎn)高時(shí)(開(kāi)始時(shí)C₂尚未充電，2點(diǎn)電位為零)，VD2導(dǎo)通，電源經(jīng)C₁、VD2向C₂充電，2點(diǎn)電位逐漸升高(對(duì)地為正)，電容C₂上最大可能達(dá)到的電位差為接近于2U_m。當(dāng)電源電壓內(nèi)+U逐漸下降，3點(diǎn)電位即隨之降落。當(dāng)3點(diǎn)電位低于2點(diǎn)電位時(shí)，整流元件VD2閉鎖，VD3導(dǎo)通，C₂經(jīng)VD3向C₃充電。當(dāng)1點(diǎn)電位繼續(xù)下降到對(duì)地為負(fù)時(shí)，電容C₃上最大可能達(dá)到的電位差為接近于2U_m。當(dāng)電源電壓再次變正后，電源電壓和C₁與C₃上的電壓串聯(lián)通過(guò)VD4向C₄充電，使電容C₄上最大可能達(dá)到的電位差為接近于2U_m。之后重復(fù)上述過(guò)程。圖6-9所示為各節(jié)點(diǎn)的對(duì)地電壓波形。如果負(fù)荷電流為零，且略去整流元件的壓降，則理論上最后5點(diǎn)電位將在(+2～+4)U_m范圍內(nèi)變化，而4點(diǎn)的輸出直流電壓可達(dá)+4U_m。

采用上述單元電路串接起來(lái)可以實(shí)現(xiàn)多倍壓整流電路。當(dāng)這種電路串接級(jí)數(shù)增加時(shí)，電壓降落和脈動(dòng)度增大甚烈。