直流高壓擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備及其測(cè)量

一些高壓試驗(yàn)設(shè)備，如沖擊電壓發(fā)生器和沖擊電流發(fā)生器，需要直流高壓作電源。而直流高電壓在其他科技領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，其中包括靜電噴漆、靜電紡織、靜電除塵、X射線發(fā)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(chǎn)生直流高壓。直流電壓的特性由極性、平均值、紋波系數(shù)等來(lái)表示。高壓試驗(yàn)室中常采用將工頻高電壓經(jīng)高壓整流器變換成直流高電壓的方法來(lái)獲取直流高電壓。高壓試驗(yàn)的直流電源在為負(fù)載提供電流時(shí)，紋波電壓要足夠小，即直流電源必須有一定的負(fù)載能力。利用倍壓整流原理設(shè)計(jì)的串級(jí)直流高壓發(fā)生器則能輸出更高的直流試驗(yàn)電壓。

直流高壓試驗(yàn)設(shè)備

1. 半波整流回路

應(yīng)用廣泛產(chǎn)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(shù)中常用的低壓半波整流電路基本相同，只是增加了一個(gè)保護(hù)電阻Rb。這是為了限制被試驗(yàn)品或電容器C發(fā)生擊穿或閃絡(luò)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。

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(yàn)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(shí)質(zhì)上是兩個(gè)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(jīng)整流器VD1向電容C1充電，負(fù)半波時(shí)則經(jīng)VD2向C2充電，最后C1和C2上電壓均可達(dá)Um，它們疊加起來(lái)可在輸出端獲得2Um的直流電壓。這種倍壓整流回路實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)半波整流回路的疊加，變壓器二次側(cè)繞組對(duì)地是絕緣的。

在圖5-20(b)中，負(fù)半波期間充電電源經(jīng)VD1向C1充電達(dá)2Um，正半波期間充電電源與C1串聯(lián)起來(lái)經(jīng)VD2向C2充電達(dá)2Um，這種電路的優(yōu)點(diǎn)是便于得到更高的直流電壓，已成為目前直流高壓串級(jí)發(fā)生器的基本單元。圖5-20(c)所示的三倍壓整流電路實(shí)質(zhì)上是由圖5-20(b)所示的電路演變而來(lái)，可獲得3Um的直流電壓。

3.串接直流高壓發(fā)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(fù)半波時(shí)依次給左柱電容器充電，而電源為正半波時(shí)依次給右柱電容器充電。空載時(shí)，n級(jí)串接的整流電路可輸出2nUm的直流電壓。但隨著串接級(jí)數(shù)的增多，接入負(fù)載時(shí)的電壓脈動(dòng)和電壓降迅速增大。

直流高壓的測(cè)量

1.高電阻串接微安表測(cè)量

圖5-22所示為高電阻串接微安表測(cè)量直流高壓的示意圖，這種測(cè)量方法應(yīng)用很廣，能測(cè)量數(shù)千伏至數(shù)萬(wàn)伏的電壓。圖中被測(cè)量直流電壓加在高值電阻R上，則R中便有電流產(chǎn)生，與R串聯(lián)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(jù)微安表指示的電流值來(lái)表示被測(cè)直流電壓的數(shù)值。這種測(cè)量電壓的方法是將微安表刻度直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓刻度，或事先校驗(yàn)出直流電壓與微安表的關(guān)系曲線，使用時(shí)根據(jù)微安表的數(shù)值在這條曲線上查出相應(yīng)的電壓值。被測(cè)直流電壓的平均值為

式中：R為高值電阻，MΩ；Iav微安表讀數(shù)，μA。

高值電陽(yáng)R可以根據(jù)被測(cè)電壓Uav和Iav大小決定。電流Iav取100~500μA。當(dāng)被測(cè)電壓較高時(shí)，電流宜適當(dāng)選大些，以減少雜散電流帶來(lái)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(cè)量

圖5-23所示為高壓電阻分壓器配低壓儀表組成的測(cè)量系統(tǒng)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(shù)字式電壓表。由低壓電表PV的指示值U2得到被測(cè)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(shù)字式電壓表，則其輸入電阻的影響可以忽略。

對(duì)于這種分壓器需要注意以下幾點(diǎn)。

(1)總電阻值的選擇，總電阻值不能太小，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)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(yīng)很少影響被試品上的電壓幅值和波形(脈動(dòng))，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(gè)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(huì)影響分壓比的穩(wěn)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(rèn)為，在分壓器額定全電壓時(shí)流過分壓器的電流不小于5mA。

(2)電阻值的穩(wěn)定性。由于直流分壓器可能持續(xù)工作一段時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)，分壓器的功率損耗會(huì)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(nèi)有足夠的穩(wěn)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(diǎn)的電暈會(huì)造成漏導(dǎo)，影響分壓比，而且這種影響的強(qiáng)弱是隨電暈點(diǎn)的位置而改變的，同時(shí)也受所加電壓大小的影響，這是不允許的。另外，電暈又會(huì)產(chǎn)生化學(xué)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(shè)適當(dāng)形式的防暈屏蔽環(huán)或屏蔽罩是消除電暈的有效方法。同時(shí)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(wěn)定性。

(4)殘余電感的消除和對(duì)地雜散電容的補(bǔ)償。雖然對(duì)于直流電壓來(lái)說(shuō)，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(dòng)成分。因此，應(yīng)該盡量把分壓器主電路中的殘余電感減到低程度，并應(yīng)對(duì)分壓器對(duì)地的雜散電容作適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。簡(jiǎn)單的補(bǔ)償辦法是在分壓器高壓端裝設(shè)一個(gè)適當(dāng)形式的屏蔽環(huán)和屏蔽罩。當(dāng)然，對(duì)測(cè)量直流電壓的分壓器來(lái)說(shuō)，這方面的要求比測(cè)量沖擊電壓的分壓器要低得多。

3.高壓靜電電壓表直接測(cè)量

可采用適當(dāng)量程的高壓靜電電壓表直接測(cè)量輸出電壓的有效值，對(duì)于脈動(dòng)系數(shù)不大于2%的直流電壓可以近似地認(rèn)為有效值U等于平均值Uav，即：

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

4.用球隙測(cè)量直流高壓

球隙是測(cè)量直流高壓最直接的方法。即使利用如上所述的分壓器來(lái)測(cè)量,也仍然需要用球隙來(lái)標(biāo)定其分壓比。用球隙測(cè)量直流高壓時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)。

(1)在直流電壓作用下，塵埃容易吸附到球極上，往往會(huì)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(wěn)定。因此國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定，應(yīng)在塵埃和纖維含量盡可能少的大氣環(huán)境中測(cè)量，球隙距離與球徑的比值應(yīng)為0.05~0.4，若連續(xù)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(cè)量誤差一般在±5%范圍之內(nèi)。

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