第3章直流高压试验设备

1戴玲[e-mail]2015年11月高电压测试技术第3章：直流高压试验设备2直流高压测试的意义对电容量很大的试品进行测试时，采用直流电压测试可以减小对试验设备容量的要求；直流高压可同时测量泄漏电流、绝缘电阻、吸收比等，提供更多的绝缘状况信息；直流高压输电工程的发展，要求对设备进行直流工况下的考核；直流高压发生器在其他科技领域中的广泛应用，例如高能物理、电子光学、X射线、加速器等等。33.1基本的整流回路3.2高压硅堆和电压分布3.3串级直流高压发生器3.4小型化的串级直流高压发生器3.5具有绝缘芯变压器的串级直流高压装置3.1基本的整流回路43.1基本的整流回路电压不太高的情况下，可用基本的整流回路。一、半波整流回路mUmaxUminUpUU2U1t2tTtuRVTCRLR’硅堆电压：sindcmuUUt整流回路的基本参数有三个：平均直流电压Up：maxmin2pUUU平均直流电流Ip：ppLUIR纹波系数S：pUSU我国标准规定：纹波系数≤3％。5Q1：电源向C充电Q2：电源向RL放电Q3：C向RL放电Q1=Q332111Q()ppppLUIttITIfRf流经RL的总电荷QRL=Q2+Q3≈Q3RVTCRL632ppLIUQUCCfRCf12pLUSURCf32111Q()ppppLUIttITIfRfRVTCRLpmpUUU电压降落平均值：起限流保护作用的电阻R：mSMURIIsm是硅堆的短时允许过电流峰值在工频情况下，纹波系数决定于高压滤波电容C。7例•采用半波整流设备产生50kV直流电压。假设流过试品及外接的电阻分压器的总电流不超过5mA，问滤波电容C的容量至少为多大才能满足直流电压的纹波要求？3321225100.033322501050310avLavavavISRCfUCfICFUfS8电压降落62810.050.00510LLCRRRpmpUUU精确计算是困难的。一般通过查表得出。pUEg：负载电阻RL=10M，充电电阻R＝50k，滤波电容C＝0.2F，工频。问电压降落？0.05pmUU查左图/0.95pmUU9二、全波整流回路D1TCRLD2D1TCRLD2D3D4全波整流回路桥式全波整流回路（1）输出电压/高压绕组电压，左图中：1/2；右图：1（2）整流元件电压：左图：2Um；右图：Um（3）整流元件个数：左图：2；右图：4电压降落曲线1011三、倍压整流回路(a)两倍电压（b)两倍电压T1C2C1V2VT1V2V1C2C1231C2CT2V1V3C3V（c）三倍电压带上负载后，三种倍压装置的输出电压会降低，并出现脉动（1）正半波：C1、C2充电；（2）负半波：C1、C2、C3串联起来充电；变压器对地两端都绝缘变压器单端对地绝缘12倍压整流回路T1V2V1C2C123三、倍压整流回路—(b)13三、倍压整流回路—(b)：纹波与电压下降123QQQ21322()2pIttQUCC211Tttf222ppITIUCfC22pIUfCT1D2D1C2C123t0时刻，D2导通，C1和电源一起对C2充电Q1，对负载放电Q2；t1时刻，D2截止，C2对负载放电Q3同于半波整流的相关公式1401tt123QQQ在t1时刻，C2被充电到最大值。12311()CmUUQQC2max123231111()2()cmCmmmUUUUUUQQUQQCCmax2311112()ppmITIUUUQQCCfC32ppIUUUfCT1V2V1C2C123mUmaxUminUavUU2U1t2tTtu0t电压降落：22pIUfC上页：合并，得：C1=C2=C时153.1基本的整流回路3.2高压硅堆和电压分布3.3串级直流高压发生器3.4小型化的串级直流高压发生器3.5具有绝缘芯变压器的串级直流高压装置3.2高压硅堆与电压分布单独一个硅二极管耐压有限，许多个串接起来做在一个器件中，作为高压整流元件，就叫高压硅堆，在高压电路中相当于一个单独的二极管。16•额定整流电流：通过硅堆的正向电流在一个周期内的平均值。•正向压降：正向电流为额定值时的压降，一般为几十V•额定反峰电压：反向截止时的最高工作电压峰值，有时，为避免表面闪络，将硅堆浸入油中。最高可到200kV-300kV。•额定过载电流：允许的短时过载电流平均值。与过载时间有关•额定频率：工频（3kHz以下）2DL、高频2DGLRVTCRLR’1718单个硅二极管在反压下的等值电路高压硅堆与电压分布硅堆反向运行等效电路图结电容Cr通常为pF量级，Ch比Ce小；Ce通常低于pF量级硅堆内部电压分布不均匀的主要原因是存在二极管对地及对高压端的寄生电容。越靠近高压端，单个硅二极管承受的电压越大。解决方法：（1）减少串联数目，即n（2）单个硅二极管两端并联大电容或小电阻，强迫均压（3）雪崩型器件硅堆串的电压分布19硅堆串垂直挂在空中，高压端离天花板2m，接地端离地30cm。硅堆串电压分布的试验结果高频时，注意考虑容抗的变化！考虑到并联电阻或电容过小时，将会导致较大的泄漏电流。在长串硅堆中，还可采用非等值均压措施。20不均匀系数为3.59和3.63端部的前4个模块调整为1M和0.0012uF，5-10个模块调整为2M硅堆串的均压措施213.1基本的整流回路3.2高压硅堆和电压分布3.3串级直流高压发生器3.4小型化的串级直流高压发生器3.5具有绝缘芯变压器的串级直流高压装置223.3串级直流高压发生器空载时，各点电位：0T11C243C352C4CmU41V2V3V4VtUUmsin1tUUUmmsin2mUU23tUUUmmsin34mUU45以倍压回路为基本单元，进行叠加T1V2V1C2C1233.3串级直流高压发生器23D1D2D1'C1'C1D2'Cn-1'Cn'Cn-1CnDn-1DnDn-1'Dn'1'2'(n-1)'n'12(n-1)nRLn0'n024•尽管串级线路输出是直流电流，但通过各电容器和变压器的电流都是交变的。•各级电容器的充电或放电的电荷不相同，越是下面的电容器，充放的电荷越大，与级数成正比，最下面一级的充放的电荷量为nQ。•通过各整流元件的电荷量相同，都为Q25112QUC2222QUCKKCKQU2KnKKnKCKQUU1122CQnnKCQUnK2)1(21取各级电容器的电容量相等2()(1)44pnnInnQUCfC右柱电容器上电压的脉动为：26串级直流高压装置的参数计算平均电压：纹波电压：maxmin(1)24pnnIUUnnUfC平均电压降落：3243226ppmpInnnUnUUfC3222(432)6ppmpmIUnUUnUnnnfC可见，纹波与电压降落与电源频率、级数、电容量、负载电流有关/pSUU纹波系数：3%(1)(2)(3)27减少串级直流高压装置的脉动和电压降落的方法1合理选择级数n最佳mpfCnUI0pUn令得2取Cn’的电压为其余电容器的一半，其电容量可为其他电容器的两倍。对于超高压直流装置，采用高压、大容量的电容器和高频整流。33(2)(42)36pppIIUnnnnfCfC3从上到下逐级增加电容，即Ck＝Ck’=kC2pnIUfC2pIUnfC实际很少采用'2nCC284、采用对称回路或三相回路减少串级直流高压装置的脉动和电压降落的方法293031323.1基本的整流回路3.2高压硅堆和电压分布3.3串级直流高压发生器3.4小型化的串级直流高压发生器3.5具有绝缘芯变压器的串级直流高压装置对电力设备进行现场检测时，要求：•电流不大，数毫安•要求重量轻且体积小•关键：减小电容器体积与重量；采用中频电源•方法：数千～数十千赫兹的晶体管振荡器组成的逆变器（3kHz~40kHz）333.4小型化串级直流高压发生器34工频交流经D5、D6、D7、D8整成直流电；通过L3和E1、E2的滤波网络滤为脉动很小的直流；HL1为霍尔电流传感器；IGBTT1和T2与L1和C1（包括C11、C10）构成中间抽头式的串联谐振逆变器1#；此支路的谐振频率为同样，T3和T4与L2和C2（包括C21、C20）构成中间抽头式的串联谐振逆变器2#；1121*1fLC10*1111011CCCCC35令触发控制信号fc=20kHz，fc≈f1=f2中频输出电压Uab的调节和稳压通过改变逆变器1#和2#之间的相角差实现。36提高输出功率提高变压器频率后，对升压变压器的设计有两方面影响：1初级、次级绕组的匝数减少，铁心截面减小，磁通密度减小；2寄生电容的容抗变小，无功电流增加；铁心损耗增大；绝缘介质耐压强度提高。电源频率的提高，可降低滤波电容的电容量要求，有利于高压短路时的过电流保护，减小电容储能，保护负载。37383940413.1基本的整流回路3.2高压硅堆和电压分布3.3串级直流高压发生器3.4小型化的串级直流高压发生器3.5具有绝缘芯变压器的串级直流高压装置3.5具有绝缘芯变压器的串级直流高压装置42以绝缘变压器为主形成的串级直流高压装置。基本单元：T1C2C1V2V充电变压器的次级绕组对地电位是不同的；将铁心分成n段，各铁心段上只绕一个绕组，铁心与绕组的中点相连；最下面一级绕组绕初级绕组和高压绕组；各铁心段之间的绝缘按照2Um考虑。可获得1000kV-2500kV的直流高压！43忽略漏抗影响时，负载特性曲线可如右图所示。44绝缘芯变压器的结构形式45500kV医用加速器电源，100mA加速器空芯变压器绕组截面图