直流高压击穿强度试验设备及其测量

直流高压击穿强度试验设备及其测量

一些高压试验设备，如冲击电压发生器和冲击电流发生器，需要直流高压作电源。而直流高电压在其他科技领域也有广泛应用，其中包括静电喷漆、静电纺织、静电除尘、X射线发生器、等离子体加速以及原子核物理研究中都使用直流高压作为电源。为了获得直流高电压，常用的就是变压器和整流装置的组合，另外还有通过静电方式产生直流高压。直流电压的特性由极性、平均值、纹波系数等来表示。高压试验室中常采用将工频高电压经高压整流器变换成直流高电压的方法来获取直流高电压。高压试验的直流电源在为负载提供电流时，纹波电压要足够小，即直流电源必须有一定的负载能力。利用倍压整流原理设计的串级直流高压发生器则能输出更高的直流试验电压。

直流高压试验设备

1. 半波整流回路

应用广泛产生直流高电压的方法是将交流电压通过整流元件整流而获得，基本的半波整流电路如图5-19所示。它与电力电子技术中常用的低压半波整流电路基本相同，只是增加了一个保护电阻Rb。这是为了限制被试验品或电容器C发生击穿或闪络时通过高压硅堆和变压器的电流，以免损坏高压硅堆和变压器。

2.倍压整流回路

基本的半波整流电路能获得的最高直流电压为工频试验变压器输出交流电压的峰值Um，为了得到更高的直流电压，可采用图5-20所示的倍压整流电路。图5-20(a)所示的倍压整流电路实质上是两个半波整流电路的叠加, 它已广泛地作为绝缘芯式变压器直流高压装置的基本单元。电源T在正半波期间经整流器VD1向电容C1充电，负半波时则经VD2向C2充电，最后C1和C2上电压均可达Um，它们叠加起来可在输出端获得2Um的直流电压。这种倍压整流回路实质上是两个半波整流回路的叠加，变压器二次侧绕组对地是绝缘的。

在图5-20(b)中，负半波期间充电电源经VD1向C1充电达2Um，正半波期间充电电源与C1串联起来经VD2向C2充电达2Um，这种电路的优点是便于得到更高的直流电压，已成为目前直流高压串级发生器的基本单元。图5-20(c)所示的三倍压整流电路实质上是由图5-20(b)所示的电路演变而来，可获得3Um的直流电压。

3.串接直流高压发生器

如果需要更高的电压，可采用图5-21所示的串接整流电路，它是以图5-20(b)所示的倍压整流电路为基本单元的。其工作原理与图5-20所示的倍压整流电路类似。电源为负半波时依次给左柱电容器充电，而电源为正半波时依次给右柱电容器充电。空载时，n级串接的整流电路可输出2nUm的直流电压。但随着串接级数的增多，接入负载时的电压脉动和电压降迅速增大。

直流高压的测量

1.高电阻串接微安表测量

图5-22所示为高电阻串接微安表测量直流高压的示意图，这种测量方法应用很广，能测量数千伏至数万伏的电压。图中被测量直流电压加在高值电阻R上，则R中便有电流产生，与R串联的微安表指示即为在该电压下流过R的平均电流值。因此，可以根据微安表指示的电流值来表示被测直流电压的数值。这种测量电压的方法是将微安表刻度直接转换成相应的电压刻度，或事先校验出直流电压与微安表的关系曲线，使用时根据微安表的数值在这条曲线上查出相应的电压值。被测直流电压的平均值为

式中：R为高值电阻，MΩ；Iav微安表读数，μA。

高值电阳R可以根据被测电压Uav和Iav大小决定。电流Iav取100~500μA。当被测电压较高时，电流宜适当选大些，以减少杂散电流带来的误差。一般R取2~10MΩ/kV，微安表选0~100μA。

2.高压电阻分压器配低压仪表测量

图5-23所示为高压电阻分压器配低压仪表组成的测量系统的原理接线图。图中的电压表可以是低压静电电压表，也可以是数字式电压表。由低压电表PV的指示值U2得到被测电压为

式中：K为分压器的分压比；R1、R2分别为电阻分压器的高压臂电阻和低压臂电阻，此低压臂电阻R2中包含低压电压表的输入电阻。如果低压电表是静电电压表或是高输入电阻的数字式电压表，则其输入电阻的影响可以忽略。

对于这种分压器需要注意以下几点。

(1)总电阻值的选择，总电阻值不能太小，这是因为大多数高压直流电源的输出功率是极有限的，一般仅为几毫安到几十毫安。分压器的接入应很少影响被试品上的电压幅值和波形(脉动)，因此，允许分压器摄取的电流总是很小的，通常不超过1mA，这就要求分压器的电阻值不能太小。另一方面，分压器电阻总需要固定在某个绝缘支架上，支架的绝缘电阻可能受到周围大气条件和电压大小的影响，如果分压器电阻值不比支架的绝缘电阻值小很多，则支架绝缘电阻值的变化将会影响分压比的稳定，从这方面又限制了分压器的电阻值不能太大。为此，一般认为，在分压器额定全电压时流过分压器的电流不小于5mA。

(2)电阻值的稳定性。由于直流分压器可能持续工作一段时间，在此时间内，分压器的功率损耗会变成温升，因此要求分压器的分压比在其工作电压和工作温度范围内有足够的稳定性，一般要求其误差不得大于1%。

(3)电晕的消除。高压臂各点的电晕会造成漏导，影响分压比，而且这种影响的强弱是随电晕点的位置而改变的，同时也受所加电压大小的影响，这是不允许的。另外，电晕又会产生化学腐蚀和高频干扰，这也是不容许的。将分压器的电阻元件封装在绝缘油中，并装设适当形式的防晕屏蔽环或屏蔽罩是消除电晕的有效方法。同时绝缘油还能使电阻元件免受大气条件的影响，并能起到冷却作用以改善电阻元件的热稳定性。

(4)残余电感的消除和对地杂散电容的补偿。虽然对于直流电压来说，电感和电容是不起什么作用的，但是，由交流整流得到的直流电压都存在不同程度的脉动成分。因此，应该尽量把分压器主电路中的残余电感减到低程度，并应对分压器对地的杂散电容作适当的补偿。简单的补偿办法是在分压器高压端装设一个适当形式的屏蔽环和屏蔽罩。当然，对测量直流电压的分压器来说，这方面的要求比测量冲击电压的分压器要低得多。

3.高压静电电压表直接测量

可采用适当量程的高压静电电压表直接测量输出电压的有效值，对于脉动系数不大于2%的直流电压可以近似地认为有效值U等于平均值Uav，即：

式中：U1、U2、U3分别为脉动部分各次谐波的有效值，U_为脉动直流中的纯直流分量。

4.用球隙测量直流高压

球隙是测量直流高压最直接的方法。即使利用如上所述的分压器来测量,也仍然需要用球隙来标定其分压比。用球隙测量直流高压时应注意以下两点。

(1)在直流电压作用下，尘埃容易吸附到球极上，往往会使球隙的击穿电压有些降低，分散性也增大，不如交流或冲击电压下稳定。因此国际电工委员会规定，应在尘埃和纤维含量尽可能少的大气环境中测量，球隙距离与球径的比值应为0.05~0.4，若连续三次击穿电压的相差值不超过3%，则取此三次的平均值，其测量误差一般在±5%范围之内。

(2)在直流电压作用下，即使存在一定的脉动，流过球隙电容的电流总是极小的，不会在球隙电阻上造成显著的压降。所以测量直流电压时，球隙电阻可取得比测量工频电压时所用的值更大一些。