第五节
冲击电压试验

一、概述

由于冲击高电压试验对试验设备和测试仪器的要求高、投资大，测试技术也比较复杂，所以在绝缘预防性试验中通常不列入冲击耐压试验。但为了研究电气设备在运行中遭受雷电过电压和操作过电压作用时的绝缘性能，在许多高压试验室中都装设了冲击电压发生器，用来产生试验用的雷电冲击电压波和操作冲击电压被。许多高压电气设备在出厂试验、型式试验时或大修后都必须进行冲击高压试验。

冲击电压发生器是高压实验室的基本设备之一，冲击试验电压要比设备绝缘正常运行时承受的电压高出很多。随着输电电压等级的不断提高，冲击电压发生器的最高电压也相应提高才能满足试验要求。

二、冲击电压波形的定义

绝缘耐受冲击电压的能力与施加的电压波形有关，而实际的冲击电压波形具有分散性，即每次的波形参数会有不同，为了保证多次冲击试验的重复性和不同试验条件下试验结果的可比较性，必须规定统一的冲击电压波形参数。我国对标准冲击电压波形的规定和国际电工委员会（IEC）标准相同。如图5-8所示。在经过时间T ₁ 时，电压从零上升到最大值，然后经过时间T ₂ -T ₁ ，电压下降到最大值的一半。规定电压从零上升到最大值所用的时间T ₁ 称为波头时间（或波前时间），电压从零开始经过最大值又下降到最大值一半的时间T ₂ 成为半峰值时间（或波长时间、波尾时间）。

非周期性的冲击电压波形由两个指数电压波形叠加组成，如图5-9所示，即

式中 τ ₁ ——波尾时间常数；

τ ₂ ——波头时间常数，通常τ ₁ 远大于τ ₂ ；

A——单指数波幅值。

对于实际的冲击电压波形，其起始部分通常比较模糊，在最大值附近的波形比较平坦，很难确定起始零点和到达最大值的时间。所以实际中通常采用视在波头时间和视在半峰值时间来定义冲击电压波形。按照国际电工委员会（IEC）标准，实际冲击电压波形参数的定义如图5-10所示。

标准冲击电压波形的参数为：

波头时间1.2μs±30%

半峰值时间50μs±20%

幅值±3%

三、单级冲击电压发生器

1.单级冲击电压发生器的原理

非周期性冲击电压波可由两个指数电压波形叠加而成，由于τ ₁ 远大于τ ₂ ，在波头时间范围内，e ^{-t/τ ₁} ≈1，可将电压波形近似用下式表示：

其波形如图5-11所示。

这个波头时间范围内的冲击电压波形和电路理论课程中讲述的一阶电路的零状态响应曲线是相同的。所以利用直流电源经电阻向电容器充电可以产生冲击电压波的波头，且波头时间T ₁ ≈3.24R ₁ C ₂ ，如图5-12所示。

在波尾时间范围内， ，可将冲击电压波形近似用下式表示：

式（5-3）的波形和已充电电容器经电阻放电的波形是相同的。所以利用已充电的电容器经电阻放电可以产生冲击电压波形的波尾，波尾时间取决于R ₂ 和C ₁ 。如图5-13所示。

可以计算出电压下降到一半的时间，即半峰值时间T ₂ 为：

根据上面的分析，将图5-12和图5-13两个电路组合起来就可以产生完整的冲击电压波形。如图5-14所示，首先在开关打开的状态下对C ₁ 进行充电，充电完毕后合上开关，电容C ₁ 经电阻R ₁ 向C ₂ 充电，形成冲击电压波的波头（C ₂ 两端的电压波形）；同时C ₁ 和C ₂ 经过电阻R ₂ 放电，形成冲击电压波的波尾。一般情况下，C ₁ 比C ₂ 大很多，所以波尾主要由C ₁ 放电的快慢决定。称C ₂ 和R ₁ 为波头电容和波头电阻，称C ₁ 和R ₂ 为波尾电容和波尾电阻。

根据实际的需要，图5-14的电路可以改为图5-15所示的两种形式，此时需要调整各个电阻的大小来调整冲击电压波形。

图5-14和图5-15的电路有一个电压利用系数的问题。假设合开关之前电容器C ₁ 上的电压为U ₀ ，那么合上开关后在C ₂ 两端产生的冲击电压波形的最大电压（即幅值）U _m 肯定小于U ₀ ，我们定义放电回路的电压利用系数η为：

2.冲击电压发生器波形和回路参数的关系

可以计算出，图5-14回路的电压利用系数最高，称为高效率回路。

实际的单级冲击电压发生器电路如图5-16所示。调整调压器的输出可以改变电容C ₁ 的充电电压，达到调整输出冲击电压幅值的目的；调整电阻R ₁ 和R ₂ 可以改变输出波形，使输出冲击电压波形符合试验要求；放电球隙G的放电电压根据电容器C ₁ 的充电电压和输出冲击电压幅值的要求进行调整。由于受到高压硅堆和电容器额定电压的限制，同时也考虑放电球隙的直径不宜过大，一般单级冲击电压发生器的最高输出幅值不超过200～300kV。

冲击电压发生器的试品一般是容性负载，在做冲击电压试验时，利用试品的等效电容做波头电容C ₂ 。对于图5-15（b）所示的典型放电回路可以列出下面的方程：

解上面的方程可以得到u ₂ 时间的变化为：

式中 U ₀ ——球隙放电前电容器C ₁ 上的充电电压；

K——回路系数，K=C ₁ R ₂ /（τ ₁ -τ ₂ ）；

τ ₁ ——波尾时间常数；

τ ₂ ——波头时间常数。

令 ，可得到理论波头时间T ₁ 为：

则输出冲击电压的幅值为：

即

同样可以用 求出半峰值时间T ₂ 与回路参数的关系。T ₂ /T ₁ 只决定于τ ₁ /τ ₂ 。

四、多级冲击电压发生器

1.多级冲击电压发生器的原理

由于受到高压硅堆参数等因素的限制，单级冲击电压发生器输出的冲击电压幅值一般不超过200～300kV，所以实际中要获得更高的冲击电压幅值，需采用多级冲击电压发生器。多级冲击电压发生器的基本原理是：并联充电、串联放电。即先对多个电容器并联充电，然后这些电容器自动串联起来放电，以产生很高的冲击电压幅值。图5-17是多级冲击电压发生器的原理电路图。

图5-17中，首先调整各个球隙的距离，使G ₁ 的放电电压为U ₀ ，G ₂ ～G ₄ 的放电电压在U ₀ ～2U ₀ 范围内，然后开始对各个电容器同时充电到U ₀ 。这时G ₁ 首先击穿，导致G ₂ ～G ₄ 依次击穿，各个电容器串联起来对C ₂ 和R ₂ 放电，在输出端获得幅值很高的冲击电压，近似的等效放电回路如图5-18所示。下面详细说明各个电容器自动转换成串联放电的过程。如图5-18所示，C ₁₀ ～C ₈₀ 是各点的对地杂散电容（寄生电容）。充电过程结束时，上面一排杂散电容C ₁₀ 、C ₃₀ 、C ₅₀ 、C ₇₀ 两端被充电到电压U ₀ ，1、3、5、7各点的对地电位为U ₀ 。下面一排杂散电容未被充电，2、4、6、8点仍为地电位零。

充电结束时，1点电位为U ₀ ，达到G ₁ 击穿电压，G ₁ 首先击穿，1点电位瞬时降为零，2点电位瞬时变为-U ₀ 。由于1、3点和2、4点之间电阻R （比较大）的作用，杂散电容C ₃₀ 来不及放电，在G ₁ 击穿瞬间3点电位几乎仍维持在U ₀ ，于是在G ₁ 击穿的瞬间，G ₂ 承受的电压（2、3点之间的电位差）由原来的U ₀ 瞬间上升到2U ₀ ，从而导致G ₂ 击穿。G ₂ 击穿后，3点电位从U ₀ 下降到-U ₀ ，4点电位瞬时变为-2U ₀ ，而5、6点仍几乎维持原来的电位，于是G ₃ 承受3U ₀ 电压的作用而击穿。依此类推，后面各级球隙在nU ₀ 电压作用下相继击穿，把所有的电容器串联起来。

从上面所述的过程可以看出，电容器由并联充电转变为串联放电的关键是杂散电容来不及放电，而杂散电容放电的快慢一方面取决于杂散电容的大小；另一方面取决于放电电阻R的大小，即杂散电容放电的时间常数。在实际当中，有时候为了确保各级球隙能顺利自动放电，还需要采取措施增大杂散电容。

2.三电极球隙

上述的单级和多级冲击电压发生器，其输出冲击电压的产生并不是等到电容器充到一定电压时自动输出，而是充到一定电压后停止充电，人为控制输出冲击电压，这就要用到三电极球隙。对于单级冲击电压发生器就直接采用一个三电极球隙，对多级冲击电压发生器，只用一个三电极球隙替代第一级放电球隙G ₁ 。

三电极球隙简单地说是一个可以人为触发放电的球隙，其结构如图5-19所示。三电极球隙工作的原理是，当冲击电压发生器各个电容充电完毕后，利用另外一个回路产生一个电压较低的脉冲电压，并将该脉冲电压施加在三电极球隙的电极2和3之间（即间隙g），使间隙g击穿，利用间隙g击穿时产生的火花触发主间隙G的击穿。此时应防止间隙G击穿时，高电位沿电极3瞬间贯入低压脉冲回路。 3Z1TWxGkx4DlURAO3G8ooIlL3kC1bdxHs4uHQxhSlG4T8e1Id1lvwlEU8OtQnthj