高压技术

    高电压测试仪器

    一、简介

    高压测试仪器具体就是测试高压设备绝缘性能的好坏以及设备的运行状态等等的仪器,包含的项目很多,主要有吸收比和极化指数的试验的测试仪器、介质损耗和电容试验的测试仪器、直流泄漏电流试验的测试仪器等。

    高电压试验和应用的种类很多,需要应用各种不同的稳态或暂态的高电压和大电流。常用的稳态高电压有工频交流电压和直流电压,用作试验电压或工作电压。常用的暂态高电压和大电流有冲击电压和冲击电流以及工频振荡电流等。前者模拟雷电过电压或操作过电压,后两者分别模拟雷电流及短路电流。此外,还有一些特殊的方波电压、方波电流、强流脉冲以及纳秒级的核致电磁脉冲(NEMP)等。

    二、发生装置

    产生上述高电压和大电流的设备通常采用交流高压试验变压器直流高压发生器冲击电压发生器冲击电流发生器、合成振荡回路等。这些设备都是以试验变压器和高压电容器为主体,以不同接线所构成。试验变压器可产生工频交流高电压,也可用作其他设备的交流高压电源。高压电容器与硅堆等组成的各种整流回路,可产生直流高电压,也可用作其他设备的直流高压电源。多台高压电容器并联充电、串联放电的Marx回路可产生很高的冲击电压。多台高压电容器并联,通过低阻抗放电可产生很大的冲击电流;若通过电感线圈放电,则可产生衰减振荡的电流或电压,并可用以构成振荡回路等。除上述常规设备外,还可由这些设备改装或组合,用以产生陡波冲击电压、交流叠加冲击波电压等;也可利用高压电容器等基本部件构成各种各样的特殊设备,例如电容电感链型回路或同轴型形成线,它们都可产生很高的方波电压或很大的方波电流等。  测量仪器  测量各种高电压和大电流的装置通常采用测量球隙、静电电压表(见图)、分压器、分流器、电压互感器、电流互感器等。测量球隙和静电电压表虽可直接测量高电压,但测量准确度都不很高。分压器可由电阻、电容或阻容组合构成。电阻分压器受热容量所限,仅用于测量 1兆伏以下冲击电压;电容或阻容分压器则可用于测量较高的交流电压或冲击电压。直流高电压测量常用高值电阻串联微安表的回路。分流器是一低值电阻,常采用绞线、折带或同轴等结构,可测量各种大电流。电压或电流互感器利用变压器原理测量工频交流高电压或大电流,测量准确度较高。稳态的工频交流、直流高电压和大电流的测量准确度已高达10-4~10-6; 但暂态的冲击电压或冲击电流的测量准确度仅为1×10-2。此外,在绝缘特性试验中常用兆欧表、高压电桥、局部放电仪等仪器仪表,测量绝缘电阻、介质损耗因数和电容量、视在局部放电量等特性,以检查绝缘介质的品质。
      随着科学技术的进展,不断开发出新型的高电压测量装置。例如,球形场强探头,已用于稳态和暂态的高电压,特别是纳秒级快速暂态高电压的测量;利用数字记录仪可实现信号的存储和处理,对冲击电压、冲击电流、
    局部放电等暂态信号的测量特别有利,并为高电压测试自动化、智能化创造良好条件;利用光导纤维可有效地隔离电磁干扰,并且很容易实现高电位参量的测量;利用纹影仪和高速照相机可记录气体放电的发展过程;利用显微照相技术可观测固体介质中树枝状放电发展的状态;利用气相或液相色谱仪可测定绝缘油中微量的放电生成物;利用激光干涉仪、光谱仪可测定放电通道中等离子体的密度、温度等微观参量;利用磁场对激光的偏转效应制成的激光电流互感器,可测量高电压回路中的大电流(达万安级以上)[2] 


    三、技术问题

    在各类高电压试验和应用中,出于高电压和大电流等基本特点,还有一些共同性的技术问题需要研究和处理。
      ①人身和设备的安全是高电压试验和应用中必须十分重视的问题。带电设备与其他设备或接地物体之间必须保证有足够的净空距离。在高压测试过程中,非试验设备应可靠接地,其中电容性设备还应短接。试验区应设置围栏、连锁及放电杆等安全设施。
      ②电晕放电是高电压设备经常发生的现象。为减小电晕噪声、空气污染及电磁干扰等,高电压设备的带电金属部件均应设置曲率半径合适的屏蔽罩。高压引线在必要时采用大直径的金属圆管或多股组合导线等。
      ③电磁干扰在高电压暂态测试中应采取必要的措施予以防止。全金属屏蔽室可以防止空间电磁波干扰。低通滤波器和隔离变压器可用以抑制电源引入的干扰。双屏蔽同轴电缆及良好的接地等可用以减小电缆外皮暂态电流造成的干扰等。采用光导纤维的光电耦合系统,则可有效地解决电磁干扰问题。
      ④回路振荡无论在高电压的主回路或者在低电压的测量回路都常有可能发生。为此,在主回路中常需设置阻尼电阻以抑制回路振荡;在测量电缆或引线等端部需设置匹配电阻以防止多次反射造成的振荡等。
      ⑤同步触发是多组高电压设备联动控制和快速暂态测试中的关键技术。多极快速点火间隙是控制多组高电压设备准确同步工作的关键部件。在测量仪器方面,数字记录仪比传统的示波器具有较大的优越性。
      ⑥测量准确度对稳态的高电压和大电流来说已达到很高水平,但暂态测量的准确度还不很高。应用数字测量技术有可能通过信号处理提高测量准确度,并可消除电磁干扰的影响。

    四、发展趋势

    高电压测试技术随着现代科技的发展,提出了更高的要求,也提供了更好的条件。在试验研究方面,正朝着高准确度、快速暂态、微观参量、强干扰背景下弱信号的提取以及测试自动化等方向发展;在工程应用方面,除开拓多种应用领域外,还朝着现场测试、在线监测、智能诊断的专家系统等方向发展。