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)過程引起的過電壓，R_b和C也起抑制作用。R_b阻值的選擇應(yīng)保證流過硅堆的短路電流(最大值)不超過允許的瞬時(shí)過載電流(最大值)。

如果沒有負(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，而通過負(fù)載的電荷Q是由充電電源經(jīng)過整流元件VD供給的，所以通過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，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，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。