直流高壓擊穿強度試驗設備及其測量

直流高壓擊穿強度試驗設備及其測量

一些高壓試驗設備，如沖擊電壓發生器和沖擊電流發生器，需要直流高壓作電源。而直流高電壓在其他科技領域也有廣泛應用，其中包括靜電噴漆、靜電紡織、靜電除塵、X射線發生器、等離子體加速以及原子核物理研究中都使用直流高壓作為電源。為了獲得直流高電壓，常用的就是變壓器和整流裝置的組合，另外還有通過靜電方式產生直流高壓。直流電壓的特性由極性、平均值、紋波系數等來表示。高壓試驗室中常采用將工頻高電壓經高壓整流器變換成直流高電壓的方法來獲取直流高電壓。高壓試驗的直流電源在為負載提供電流時，紋波電壓要足夠小，即直流電源必須有一定的負載能力。利用倍壓整流原理設計的串級直流高壓發生器則能輸出更高的直流試驗電壓。

直流高壓試驗設備

1. 半波整流回路

應用廣泛產生直流高電壓的方法是將交流電壓通過整流元件整流而獲得，基本的半波整流電路如圖5-19所示。它與電力電子技術中常用的低壓半波整流電路基本相同，只是增加了一個保護電阻Rb。這是為了限制被試驗品或電容器C發生擊穿或閃絡時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。

2.倍壓整流回路

基本的半波整流電路能獲得的最高直流電壓為工頻試驗變壓器輸出交流電壓的峰值Um，為了得到更高的直流電壓，可采用圖5-20所示的倍壓整流電路。圖5-20(a)所示的倍壓整流電路實質上是兩個半波整流電路的疊加, 它已廣泛地作為絕緣芯式變壓器直流高壓裝置的基本單元。電源T在正半波期間經整流器VD1向電容C1充電，負半波時則經VD2向C2充電，最后C1和C2上電壓均可達Um，它們疊加起來可在輸出端獲得2Um的直流電壓。這種倍壓整流回路實質上是兩個半波整流回路的疊加，變壓器二次側繞組對地是絕緣的。

在圖5-20(b)中，負半波期間充電電源經VD1向C1充電達2Um，正半波期間充電電源與C1串聯起來經VD2向C2充電達2Um，這種電路的優點是便于得到更高的直流電壓，已成為目前直流高壓串級發生器的基本單元。圖5-20(c)所示的三倍壓整流電路實質上是由圖5-20(b)所示的電路演變而來，可獲得3Um的直流電壓。

3.串接直流高壓發生器

如果需要更高的電壓，可采用圖5-21所示的串接整流電路，它是以圖5-20(b)所示的倍壓整流電路為基本單元的。其工作原理與圖5-20所示的倍壓整流電路類似。電源為負半波時依次給左柱電容器充電，而電源為正半波時依次給右柱電容器充電。空載時，n級串接的整流電路可輸出2nUm的直流電壓。但隨著串接級數的增多，接入負載時的電壓脈動和電壓降迅速增大。

直流高壓的測量

1.高電阻串接微安表測量

圖5-22所示為高電阻串接微安表測量直流高壓的示意圖，這種測量方法應用很廣，能測量數千伏至數萬伏的電壓。圖中被測量直流電壓加在高值電阻R上，則R中便有電流產生，與R串聯的微安表指示即為在該電壓下流過R的平均電流值。因此，可以根據微安表指示的電流值來表示被測直流電壓的數值。這種測量電壓的方法是將微安表刻度直接轉換成相應的電壓刻度，或事先校驗出直流電壓與微安表的關系曲線，使用時根據微安表的數值在這條曲線上查出相應的電壓值。被測直流電壓的平均值為

式中：R為高值電阻，MΩ；Iav微安表讀數，μA。

高值電陽R可以根據被測電壓Uav和Iav大小決定。電流Iav取100~500μA。當被測電壓較高時，電流宜適當選大些，以減少雜散電流帶來的誤差。一般R取2~10MΩ/kV，微安表選0~100μA。

2.高壓電阻分壓器配低壓儀表測量

圖5-23所示為高壓電阻分壓器配低壓儀表組成的測量系統的原理接線圖。圖中的電壓表可以是低壓靜電電壓表，也可以是數字式電壓表。由低壓電表PV的指示值U2得到被測電壓為

式中：K為分壓器的分壓比；R1、R2分別為電阻分壓器的高壓臂電阻和低壓臂電阻，此低壓臂電阻R2中包含低壓電壓表的輸入電阻。如果低壓電表是靜電電壓表或是高輸入電阻的數字式電壓表，則其輸入電阻的影響可以忽略。

對于這種分壓器需要注意以下幾點。

(1)總電阻值的選擇，總電阻值不能太小，這是因為大多數高壓直流電源的輸出功率是極有限的，一般僅為幾毫安到幾十毫安。分壓器的接入應很少影響被試品上的電壓幅值和波形(脈動)，因此，允許分壓器攝取的電流總是很小的，通常不超過1mA，這就要求分壓器的電阻值不能太小。另一方面，分壓器電阻總需要固定在某個絕緣支架上，支架的絕緣電阻可能受到周圍大氣條件和電壓大小的影響，如果分壓器電阻值不比支架的絕緣電阻值小很多，則支架絕緣電阻值的變化將會影響分壓比的穩定，從這方面又限制了分壓器的電阻值不能太大。為此，一般認為，在分壓器額定全電壓時流過分壓器的電流不小于5mA。

(2)電阻值的穩定性。由于直流分壓器可能持續工作一段時間，在此時間內，分壓器的功率損耗會變成溫升，因此要求分壓器的分壓比在其工作電壓和工作溫度范圍內有足夠的穩定性，一般要求其誤差不得大于1%。

(3)電暈的消除。高壓臂各點的電暈會造成漏導，影響分壓比，而且這種影響的強弱是隨電暈點的位置而改變的，同時也受所加電壓大小的影響，這是不允許的。另外，電暈又會產生化學腐蝕和高頻干擾，這也是不容許的。將分壓器的電阻元件封裝在絕緣油中，并裝設適當形式的防暈屏蔽環或屏蔽罩是消除電暈的有效方法。同時絕緣油還能使電阻元件免受大氣條件的影響，并能起到冷卻作用以改善電阻元件的熱穩定性。

(4)殘余電感的消除和對地雜散電容的補償。雖然對于直流電壓來說，電感和電容是不起什么作用的，但是，由交流整流得到的直流電壓都存在不同程度的脈動成分。因此，應該盡量把分壓器主電路中的殘余電感減到低程度，并應對分壓器對地的雜散電容作適當的補償。簡單的補償辦法是在分壓器高壓端裝設一個適當形式的屏蔽環和屏蔽罩。當然，對測量直流電壓的分壓器來說，這方面的要求比測量沖擊電壓的分壓器要低得多。

3.高壓靜電電壓表直接測量

可采用適當量程的高壓靜電電壓表直接測量輸出電壓的有效值，對于脈動系數不大于2%的直流電壓可以近似地認為有效值U等于平均值Uav，即：

式中：U1、U2、U3分別為脈動部分各次諧波的有效值，U_為脈動直流中的純直流分量。

4.用球隙測量直流高壓

球隙是測量直流高壓最直接的方法。即使利用如上所述的分壓器來測量,也仍然需要用球隙來標定其分壓比。用球隙測量直流高壓時應注意以下兩點。

(1)在直流電壓作用下，塵埃容易吸附到球極上，往往會使球隙的擊穿電壓有些降低，分散性也增大，不如交流或沖擊電壓下穩定。因此國際電工委員會規定，應在塵埃和纖維含量盡可能少的大氣環境中測量，球隙距離與球徑的比值應為0.05~0.4，若連續三次擊穿電壓的相差值不超過3%，則取此三次的平均值，其測量誤差一般在±5%范圍之內。

(2)在直流電壓作用下，即使存在一定的脈動，流過球隙電容的電流總是極小的，不會在球隙電阻上造成顯著的壓降。所以測量直流電壓時，球隙電阻可取得比測量工頻電壓時所用的值更大一些。