核心概念:
試驗(yàn)變壓器,串級(jí)試驗(yàn)變壓器,容性試品電壓的升高,高壓諧振試驗(yàn)設(shè)備,倍壓直流和串級(jí)直流,紋波因數(shù),沖擊電壓發(fā)生器,并聯(lián)充電與串聯(lián)放電,波前電阻與放電電阻,沖擊電流發(fā)生器
交流高電壓的產(chǎn)生
概述
1.試驗(yàn)變壓器的用途
交流高電壓試驗(yàn)設(shè)備主要是指高電壓試驗(yàn)變壓器,此外本章中也介紹高電壓串聯(lián)諧振試驗(yàn)設(shè)備。試驗(yàn)變壓器的主要用途有以下幾點(diǎn):
(1)產(chǎn)生試驗(yàn)用的工頻電壓;
(2)作為直流、沖擊電壓發(fā)生器電源;
(3)產(chǎn)生操作沖擊電壓。
電力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備,其絕緣不僅經(jīng)常受到工作電壓的作用,而且還會(huì)受到諸如大氣過(guò)電壓和內(nèi)部過(guò)電壓的侵襲。高電壓試驗(yàn)變壓器的作用在于產(chǎn)生工頻高電壓,使之作用于被試電氣設(shè)備的絕緣上,以考察被測(cè)試電氣設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間的工作電壓及瞬時(shí)的內(nèi)過(guò)電壓下是否能可靠工作。另外,它也是試驗(yàn)研究高壓輸電線路的氣體絕緣間隙、電暈損耗、靜電感應(yīng)、長(zhǎng)串絕緣子的閃絡(luò)電壓、電力設(shè)備內(nèi)部絕緣中的局部放電以及帶電作業(yè)等項(xiàng)目的必需的高壓電源設(shè)備。近年來(lái),由于超高電壓及特高電壓輸電的發(fā)展,必須研究?jī)?nèi)絕緣或外絕緣在操作波作用下的擊穿規(guī)律及擊穿數(shù)值。利用高壓試驗(yàn)變壓器還可以產(chǎn)生“長(zhǎng)波前”類(lèi)型的操作沖擊波。因此工頻試驗(yàn)變壓器除了固有的產(chǎn)生工頻試驗(yàn)電壓,以及作為直流高壓和沖擊高壓設(shè)備的電源變壓器的功用外,還可以用來(lái)產(chǎn)生操作沖擊波試驗(yàn)電壓。所以,工頻試驗(yàn)變壓器是高電壓實(shí)驗(yàn)室內(nèi)主要設(shè)備之一,由于它的電壓值需要滿(mǎn)足不同電壓等級(jí)的耐壓試驗(yàn)甚至要達(dá)到操作沖擊電壓值的要求,故試驗(yàn)變壓器的工頻輸出電壓將大大超過(guò)電力變壓器的額定電壓值,常達(dá)幾百千伏或幾千千伏的數(shù)值。目前我國(guó)和世界上多數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都具有2250kv的試驗(yàn)變壓器，個(gè)別國(guó)家試驗(yàn)變壓器的電壓已達(dá)到3000kv。
2．試驗(yàn)變壓器與電力變壓器的差異
試驗(yàn)變壓器在原理上與電力變壓器并無(wú)區(qū)別，只是前者電壓較高，變比較大。由于電壓值高，所以要采用較厚的絕緣及較寬的間隙距離，因此試驗(yàn)變壓器的漏磁通較大，短路電抗值也較大，而電壓高的串級(jí)試驗(yàn)變壓器的總短路電抗值則更大。在大的電容負(fù)載下，試驗(yàn)變壓器一、二次側(cè)的電壓關(guān)系與線圈匝數(shù)比有較大差異，因此試驗(yàn)變壓器常常有特殊的測(cè)量電壓用的線圈（在后續(xù)章節(jié)將具體介紹其原理）。當(dāng)變壓器的額定電壓升高時(shí)，它的體積和質(zhì)量的增加趨勢(shì)超過(guò)按額定電壓的三次方（u3）的上升速度。為了限制單臺(tái)試驗(yàn)變壓器的體積和質(zhì)量，有必要在接線上和結(jié)構(gòu)上采取一些特殊措施，例如目前采用的串級(jí)裝置等。這樣可使試驗(yàn)變壓器在某些情況下具有特殊形式。
試驗(yàn)變壓器的運(yùn)行條件與電力變壓器的不同，例如：
（1）試驗(yàn)變壓器在大多數(shù)情況下，工作在電容性負(fù)荷下；而電力變壓器一般工作在電感性負(fù)荷下。
（2）試驗(yàn)變壓器所需試驗(yàn)功率不大，所以變壓器的容量不是很大；而電力變壓器的容量都很大。
（3）試驗(yàn)變壓器在工作時(shí)，經(jīng)常要放電；電力變壓器在正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)生短路事故的機(jī)會(huì)不多，而且即使發(fā)生，繼電保護(hù)裝置也會(huì)立即將電源斷開(kāi)。
（4）電力變壓器在運(yùn)行中可能受到大氣過(guò)電壓及操作過(guò)電壓的侵襲；而試驗(yàn)變壓器并不受到大氣過(guò)電壓的作用。但當(dāng)試品放電時(shí)，沿試驗(yàn)變壓器繞組的電壓分布可能十分不均勻。
（5）試驗(yàn)變壓器工作時(shí)間短，在額定電壓下滿(mǎn)載運(yùn)行的時(shí)間更短。比如進(jìn)行電氣設(shè)備的耐壓試驗(yàn)時(shí)常常用的是1min工頻耐壓。而電力變壓器則幾乎常年在額定電壓下滿(mǎn)載運(yùn)行。
（6）由于上述原因，試驗(yàn)變壓器工作溫度低，而電力變壓器溫升較高。也因此電力變壓器都帶有散熱管、風(fēng)冷甚至強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻裝置。而試驗(yàn)變壓器則沒(méi)有各種附加的散熱裝置，或只有簡(jiǎn)單的散熱裝置。
3．試驗(yàn)變壓器的安全系數(shù)
上述情況表明，試驗(yàn)變壓器在運(yùn)行條件方面比電力變壓器有利，而在重要性方面則不如電力變壓器，所以設(shè)計(jì)時(shí)采用較小的安全系數(shù)。例如50～250kv試驗(yàn)變壓器本身的試驗(yàn)電壓比額定電壓僅高25kv；更高電壓（≥300kv）的試驗(yàn)變壓器的試驗(yàn)電壓比額定電壓僅高10％。例如500kv試驗(yàn)變壓器的5min100hz自感應(yīng)試驗(yàn)電壓為550kv；國(guó)產(chǎn)ydc-1500／1500（額定電壓為1500kv，額定容量為1500kv·a）二級(jí)串級(jí)試驗(yàn)變壓器，單臺(tái)750kv變壓器的5min100hz自感應(yīng)試驗(yàn)電壓為額定電壓的110％；兩臺(tái)串級(jí)時(shí)所取的感應(yīng)試驗(yàn)電壓僅為額定電壓的105％。而電力變壓器的試驗(yàn)電壓常比額定電壓高得多，例如220kv電力變壓器的出廠1min工頻試驗(yàn)電壓為325～400kv（有效值）；330kv變壓器的出廠1min工頻試驗(yàn)電壓為510kv。正因?yàn)楦邏涸囼?yàn)變壓器的試驗(yàn)電壓較低，設(shè)計(jì)溫升較低，故在額定功率下只能做短時(shí)運(yùn)行。例如上述的（由蘇聯(lián)生產(chǎn)的）500kv試驗(yàn)變壓器，在額定電壓下只能連續(xù)工作30min，在330kv電壓及330kv·a容量下才能持續(xù)運(yùn)行。有的特高電壓的試驗(yàn)變壓器，在額定電壓及容量下只能運(yùn)行5min。
試驗(yàn)變壓器鐵芯的磁通密度應(yīng)設(shè)計(jì)得較小，從而可避免較大的激磁電流在供電的調(diào)壓器中產(chǎn)生較大的諧波，后者會(huì)使所產(chǎn)生的電壓波形達(dá)不到“正弦波”的要求。
為了滿(mǎn)足測(cè)量電力設(shè)備絕緣局部放電量的要求，有些特殊設(shè)計(jì)的高壓試驗(yàn)變壓器，其本身的局部放電量極小，只有幾個(gè)皮庫(kù)，這類(lèi)試驗(yàn)變壓器稱(chēng)為無(wú)暈試驗(yàn)變壓器。
4．試驗(yàn)變壓器的接線
高壓試驗(yàn)變壓器進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的接線如圖1所示。
圖1工頻高電壓試驗(yàn)的基本線路
1-電源開(kāi)關(guān)；2-調(diào)壓器；3一電壓表；
4-試驗(yàn)變壓器；5-變壓器保護(hù)電阻；6-試品；
圖1中保護(hù)電阻r1的作用是防止試品放電時(shí)發(fā)生的電壓截波對(duì)試驗(yàn)變壓器繞組絕緣的損傷，同時(shí)它也起著抑制試品閃絡(luò)時(shí)所造成的恢復(fù)電壓的作用=。該保護(hù)電阻的數(shù)值應(yīng)由變壓器制造廠供給，若制造廠未供給它的數(shù)值大小，一般可按0.1ω／v選取。個(gè)別制造廠所生產(chǎn)的試驗(yàn)變壓器，允許不接保護(hù)電阻。
7-測(cè)量銅球保護(hù)電阻；8-測(cè)量銅球
5．試驗(yàn)電壓的頻率和波形
試驗(yàn)電壓的頻率和波形對(duì)各種試驗(yàn)有不同程度的影響。在進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，有些測(cè)量電壓的儀表所測(cè)得的是電壓有效值，不少電氣產(chǎn)品的試驗(yàn)也只提出電壓有效值的要求。但是工頻放電或擊穿一般取決于電壓的峰值。試驗(yàn)波形實(shí)際上很難保證是嚴(yán)格的正弦波，當(dāng)波形畸變時(shí)，電壓峰值與有效值之比不是／2。由于波形上主要疊加了較大的三次諧波分量，峰值與有效值之比可達(dá)1.45～1.55。此時(shí)若再根據(jù)所測(cè)得有效值乘／2來(lái)求峰值，就會(huì)造成很大的誤差。此外，因?yàn)橛行┙^緣材料的絕緣性能還與電壓頻率相關(guān)，所以電壓頻率加高或含有高次諧波的非正弦波加在有機(jī)絕緣材料上，會(huì)產(chǎn)生較大的介質(zhì)損耗，容易使絕緣過(guò)熱而造成耐壓性能降低。
為此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb／t16927.1-2011規(guī)定試驗(yàn)電壓一般應(yīng)是頻率為45～55hz的交流電，iec60060-1：2010則規(guī)定為45～65hz。按有關(guān)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，有些特殊試驗(yàn)可能要求頻率遠(yuǎn)低于或高于這一范圍。試驗(yàn)電壓的波形為兩個(gè)半波相同的近似正弦波，且峰值和方均根（有效）值之比應(yīng)為／2x（1±0.05）。必須重視試驗(yàn)變壓器輸出的電壓波形是否合乎標(biāo)準(zhǔn)。
造成試驗(yàn)變壓器輸出電壓畸變的最主要原因，是試驗(yàn)變壓器鐵芯磁化曲線的非線性，特別是當(dāng)使用到臨近飽和段時(shí)，激磁電流就含有三次諧波分量，在調(diào)壓器漏感較大時(shí)，輸出波形就會(huì)產(chǎn)生明顯畸變。此外，供電電網(wǎng)的電壓波形有時(shí)也包含諧波分量。為了減小波形畸變，試驗(yàn)變壓器應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)低磁密的鐵心，變壓器和調(diào)壓器的短路電抗都應(yīng)較小，必要時(shí)可設(shè)置lc濾波裝置。在波形質(zhì)量要求高時(shí)，可采用電動(dòng)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生可調(diào)壓的正弦波電壓。這也意味著進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用測(cè)量波形的表計(jì)。僅測(cè)量峰值或有效值的表計(jì)，如后面將要講到的峰值電壓表和靜電電壓表，只是在驗(yàn)證工頻波形合格時(shí)，才予以應(yīng)用。