直流高电压试验

电气设备常需进行直流高电压下的绝缘耐受试验，也称直流耐受试验，如测量设备的泄漏电流就需要施加直流高电压。另外，一些电容量较大的交流设备，如电力电缆，需用直流高电压试验来代替交流高电压试验；对于超特高电压直流输电设备，则更需要进行直流高电压试验。此外，一些高电压试验设备，如冲击高电压试验设备，也需用直流高电压作电源。因此，直流高电压试验设备是进行高电压试验的一项基本设备。

1 直流高电压试验的特点

直流耐压试验与测量直流泄漏电流的试验在方法上是一致的，但从试验的作用来看则有所不同，前者是试验绝缘强度，其试验电压较高；后者是检查绝缘情况，试验电压较低。目前在发电机、电动机、电力电缆、电容器等设备的绝缘预防性试验中广泛地应用直流耐压试验。它与交流耐压试验相比，主要有以下一些特点：

(1)在进行工频耐压试验时，试验设备的容量P=ωC_XU²，对于试验电容量较大的试品时，需要较大容量的试验设备，这在一般情况下不容易办到。而在直流电压作用下，没有电容电流，故进行高压直流耐压试验时，只需供给较小的毫安级泄漏电流，试验设备可以做得体积小而且比较轻巧，适用于现场预防性试验的要求。

(2)在进行直流耐压试验时，可以同时测量泄漏电流，并根据泄漏电流随所加电压的变化特性来判断绝缘的状况，以便及早地发现绝缘中存在的局部缺陷。

(3)直流耐压试验比交流耐压试验更能发现电机端部的绝缘缺陷。其原因是交流电压作用下，绝缘内部的电压分布是按电容分布的，电机绕组绝缘的电容电流流向接地的定子铁心，使得离铁心越远的绕组绝缘上承受的电压越低。而在直流电压下，没有电容电流流经线棒绝缘，端部绝缘上的电压与所加电压相一致，有利于发现绕组端部的绝缘缺陷。

(4)直流耐压试验对绝缘的损伤程度比交流耐压小。交流耐压试验时产生的介质损耗较大，容易引起绝缘发热，促使绝缘老化变质，对被击穿的绝缘，其击穿损伤部分面积大，增加修复的困难。

(5)由于直流电压作用下在绝缘内部的电压分布和交流也压作用下的电压分布不同，因此不能用直流耐压试验代替交流耐压试验，在实际工作中应根据具体情况合理选择使用。

(6)直流耐压试验时，试验电压值的选择是一个重要的问题。如前所述，由于直流电压下的介质损耗小，局部放电的发展也远比交流耐压试验时弱，因此在直流电压作用下绝缘的击穿强度比交流电压作用下高。在选择直流耐压的试验电压值时，必须考虑到这一点，并主要根据运行经验来确定。例如对发电机定子绕组，按不同情况，其直流耐压试验电压值分别取2～3倍额定电压。直流耐压试验时的加压时间也应比交流耐压试验要长一些。如发电机试验电压是以每级0.5倍额定电压分阶段升高的，每阶段停留1min，读取泄漏电流值。电力电缆试验时，在试验电压下持续5min，以观察试验现象并读取泄漏电流值。

需要指出，一般直流高电压试验如同雷电冲击耐压一样通常都采用负极性试验电压。

2 直流高电压的产生

直流高电压试验设备的基本技术参数有三个：输出的额定直流电压平均值U_av，相应的额定直流电流平均值I_av，以及电压脉动系数S(电压脉动幅值δU与直流电压平均值U_av之比)。根据相关规程规定，S应不大于3%。

一般用整流设备来产生直流高电压，常用的整流设备是高压硅整流器(俗称高压硅堆)。图6-4所示为由高压硅堆组成的半波整流电路。它的原理和接线与电力电子技术中常用的低压半波整流电路基本一样，只是增加了一个保护电阻R_b。这是为了限制试品(或电容器C)发生击穿或闪络时，以及当电源向电容器C突然充电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。对于在试验中因瞬态过程引起的过电压，R_b和C也起抑制作用。R_b阻值的选择应保证流过硅堆的短路电流(最大值)不超过允许的瞬时过载电流(最大值)。

如果没有负载(R_L=∞)，并忽略电容器C的泄漏电流，则充电完毕后，电容器C两端维持恒定电压U_c，并等于变压器高压侧交流电压的最大值U_m，即U_c=U_m。而整流元件VD两端承受的反向电压u_D等于电容器C两端电压加上变压器高压侧交流电压，即u_D=U_c+U_msinωt，如图6-5中的影线所示。最大反向电压为U_D=2U_m，显然整流元件能耐受的电压应大于2U_m。

当接上负载后，在一个周期内，电容C的电荷变化量为零，平均电流为零，而通过负载的电荷Q是由充电电源经过整流元件VD供给的，所以通过整流元件的平均电流等于负载的平均电流。

从图6-6可以看出，接上负载后，输出电压不再维持恒定，而是具有一定的电压脉动2δU。

通常负载电阻R_L远大于保护电阻R_b，为了便于分析起见，可忽略R_b。设电容C的平均电压为U_av(亦即负载的平均电压)，负载的平均电流为I_av，I_av=U_av/R_L，则在t₁～t₂电容放电期间，电容C通过负载放掉的电荷为

式中：T、f分別为充电电源的周期和频率。

电容C因放掉电荷Q而产生的电压脉动为

电压脉动系数为

可见，电压脉动随负载电流增加而增大，增大电容量C或提高充电电源的频率f可以成比例地减小电压脉动。

充电电源对电容C和负载R_L供电时，会在保护电阻R_b上产生电压降(忽略变压器绕组电阳和整流元件的正向电阻压降)，所以输出的直流电压将低于充电电压的幅值U_m。电压降落的平均值为∆U_av=U_m- U_av。

在进行直流高电压试验时，常在C和R_L之间再串联一个数千欧的电阻R_f，这是为了限制R_L发生闪络或击穿时电容C的放电电流。

3 倍压整流

如欲得到更高的电压并充分利用变压器的功率，可采用图6-7所示的倍压整流电路。可以看出，图6-7(a)所示倍压整流电路实质上是两个半波整流电路的叠加，近年来这种电路广泛地作为绝缘芯变压器直流高电压装置的基本单元。图6-7(b)中，负半波期间充电电源经VD1向C₁充电达U_m，正半波期间充电电源与C₁中联起来经VD2向C₂充电达2U_m，这是目前直流高电压发生器中应用较多的基本倍压整流电路。图6-7(c)所示为一种需两端绝缘的电源变压器的三倍压整流回路。

为了获得更高的直流电压，可以利用图6-7(b)所示的倍压整流电路为基本单元组成串级直流高压发生装置，如图6-8所示。下面简要地阐述这种电路的工作原理。当1点电位为负时，整流元件VD2闭锁，VD1导通；电源经VD1向电容C₁充电，3端为正，1端为负；电容C₁上最大可能达到的电位差为接近于U_m；此时3点的电位接近于地电位。当电源电压由-U逐渐升高时，3点的电位也随之被抬高，此时VT1便闭锁。当3点的电位比2点高时(开始时C₂尚未充电，2点电位为零)，VD2导通，电源经C₁、VD2向C₂充电，2点电位逐渐升高(对地为正)，电容C₂上最大可能达到的电位差为接近于2U_m。当电源电压内+U逐渐下降，3点电位即随之降落。当3点电位低于2点电位时，整流元件VD2闭锁，VD3导通，C₂经VD3向C₃充电。当1点电位继续下降到对地为负时，电容C₃上最大可能达到的电位差为接近于2U_m。当电源电压再次变正后，电源电压和C₁与C₃上的电压串联通过VD4向C₄充电，使电容C₄上最大可能达到的电位差为接近于2U_m。之后重复上述过程。图6-9所示为各节点的对地电压波形。如果负荷电流为零，且略去整流元件的压降，则理论上最后5点电位将在(+2～+4)U_m范围内变化，而4点的输出直流电压可达+4U_m。

采用上述单元电路串接起来可以实现多倍压整流电路。当这种电路串接级数增加时，电压降落和脉动度增大甚烈。