核心概念:

試驗變壓器,串級試驗變壓器,容性試品電壓的升高,高壓諧振試驗設備,倍壓直流和串級直流,紋波因數,沖擊電壓發生器,并聯充電與串聯放電,波前電阻與放電電阻,沖擊電流發生器

交流高電壓的產生
概述

1.試驗變壓器的用途
交流高電壓試驗設備主要是指高電壓試驗變壓器,此外本章中也介紹高電壓串聯諧振試驗設備。試驗變壓器的主要用途有以下幾點:
(1)產生試驗用的工頻電壓;
(2)作為直流、沖擊電壓發生器電源;
(3)產生操作沖擊電壓。
電力系統中的電氣設備,其絕緣不僅經常受到工作電壓的作用,而且還會受到諸如大氣過電壓和內部過電壓的侵襲。高電壓試驗變壓器的作用在于產生工頻高電壓,使之作用于被試電氣設備的絕緣上,以考察被測試電氣設備在長時間的工作電壓及瞬時的內過電壓下是否能可靠工作。另外,它也是試驗研究高壓輸電線路的氣體絕緣間隙、電暈損耗、靜電感應、長串絕緣子的閃絡電壓、電力設備內部絕緣中的局部放電以及帶電作業等項目的必需的高壓電源設備。近年來,由于超高電壓及特高電壓輸電的發展,必須研究內絕緣或外絕緣在操作波作用下的擊穿規律及擊穿數值。利用高壓試驗變壓器還可以產生“長波前"類型的操作沖擊波。因此工頻試驗變壓器除了固有的產生工頻試驗電壓,以及作為直流高壓和沖擊高壓設備的電源變壓器的功用外,還可以用來產生操作沖擊波試驗電壓。所以,工頻試驗變壓器是高電壓實驗室內主要設備之一,由于它的電壓值需要滿足不同電壓等級的耐壓試驗甚至要達到操作沖擊電壓值的要求,故試驗變壓器的工頻輸出電壓將大大超過電力變壓器的額定電壓值,常達幾百千伏或幾千千伏的數值。目前我國和世界上多數工業發達國家都具有2250kV的試驗變壓器，個別國家試驗變壓器的電壓已達到3000kV。

2．試驗變壓器與電力變壓器的差異

試驗變壓器在原理上與電力變壓器并無區別，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，因此試驗變壓器的漏磁通較大，短路電抗值也較大，而電壓高的串級試驗變壓器的總短路電抗值則更大。在大的電容負載下，試驗變壓器一、二次側的電壓關系與線圈匝數比有較大差異，因此試驗變壓器常常有特殊的測量電壓用的線圈（在后續章節將具體介紹其原理）。當變壓器的額定電壓升高時，它的體積和質量的增加趨勢超過按額定電壓的三次方（U3）的上升速度。為了限制單臺試驗變壓器的體積和質量，有必要在接線上和結構上采取一些特殊措施，例如目前采用的串級裝置等。這樣可使試驗變壓器在某些情況下具有特殊形式。

試驗變壓器的運行條件與電力變壓器的不同，例如：
（1）試驗變壓器在大多數情況下，工作在電容性負荷下；而電力變壓器一般工作在電感性負荷下。
（2）試驗變壓器所需試驗功率不大，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）試驗變壓器在工作時，經常要放電；電力變壓器在正常運行時，發生短路事故的機會不多，而且即使發生，繼電保護裝置也會立即將電源斷開。
（4）電力變壓器在運行中可能受到大氣過電壓及操作過電壓的侵襲；而試驗變壓器并不受到大氣過電壓的作用。但當試品放電時，沿試驗變壓器繞組的電壓分布可能十分不均勻。
（5）試驗變壓器工作時間短，在額定電壓下滿載運行的時間更短。比如進行電氣設備的耐壓試驗時常常用的是1min工頻耐壓。而電力變壓器則幾乎常年在額定電壓下滿載運行。
（6）由于上述原因，試驗變壓器工作溫度低，而電力變壓器溫升較高。也因此電力變壓器都帶有散熱管、風冷甚至強迫油循環冷卻裝置。而試驗變壓器則沒有各種附加的散熱裝置，或只有簡單的散熱裝置。
3．試驗變壓器的安全系數
上述情況表明，試驗變壓器在運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，所以設計時采用較小的安全系數。例如50～250kV試驗變壓器本身的試驗電壓比額定電壓僅高25kV；更高電壓（≥300kV）的試驗變壓器的試驗電壓比額定電壓僅高10％。例如500kV試驗變壓器的5min 100 Hz自感應試驗電壓為550kV；國產YDC-1500／1500（額定電壓為1500kV，額定容量為1500kV·A）二級串級試驗變壓器，單臺750kV變壓器的5min 100 Hz自感應試驗電壓為額定電壓的110％；兩臺串級時所取的感應試驗電壓僅為額定電壓的105％。而電力變壓器的試驗電壓常比額定電壓高得多，例如220kV電力變壓器的出廠1min工頻試驗電壓為325～400kV（有效值）；330kV變壓器的出廠1min工頻試驗電壓為510kV。正因為高壓試驗變壓器的試驗電壓較低，設計溫升較低，故在額定功率下只能做短時運行。例如上述的（由蘇聯生產的）500kV試驗變壓器，在額定電壓下只能連續工作30min，在330kV電壓及330kV·A容量下才能持續運行。有的特高電壓的試驗變壓器，在額定電壓及容量下只能運行5min。
試驗變壓器鐵芯的磁通密度應設計得較小，從而可避免較大的激磁電流在供電的調壓器中產生較大的諧波，后者會使所產生的電壓波形達不到“正弦波"的要求。
為了滿足測量電力設備絕緣局部放電量的要求，有些特殊設計的高壓試驗變壓器，其本身的局部放電量極小，只有幾個皮庫，這類試驗變壓器稱為無暈試驗變壓器。
4．試驗變壓器的接線
高壓試驗變壓器進行試驗時的接線如圖1所示。

圖1工頻高電壓試驗的基本線路
1-電源開關；2-調壓器；3一電壓表；
4-試驗變壓器；5-變壓器保護電阻；6-試品；

圖1中保護電阻R1的作用是防止試品放電時發生的電壓截波對試驗變壓器繞組絕緣的損傷，同時它也起著抑制試品閃絡時所造成的恢復電壓的作用=。該保護電阻的數值應由變壓器制造廠供給，若制造廠未供給它的數值大小，一般可按0.1Ω／V選取。個別制造廠所生產的試驗變壓器，允許不接保護電阻。
7-測量銅球保護電阻；8-測量銅球
5．試驗電壓的頻率和波形
試驗電壓的頻率和波形對各種試驗有不同程度的影響。在進行交流耐壓試驗時，有些測量電壓的儀表所測得的是電壓有效值，不少電氣產品的試驗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。試驗波形實際上很難保證是嚴格的正弦波，當波形畸變時，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1.45～1.55。此時若再根據所測得有效值乘／2來求峰值，就會造成很大的誤差。此外，因為有些絕緣材料的絕緣性能還與電壓頻率相關，所以電壓頻率加高或含有高次諧波的非正弦波加在有機絕緣材料上，會產生較大的介質損耗，容易使絕緣過熱而造成耐壓性能降低。
為此，國家標準GB／T 16927.1-2011規定試驗電壓一般應是頻率為45～55Hz的交流電，IEC 60060-1：2010則規定為45～65Hz。按有關設備標準規定，有些特殊試驗可能要求頻率遠低于或高于這一范圍。試驗電壓的波形為兩個半波相同的近似正弦波，且峰值和方均根（有效）值之比應為／2x（1±0.05）。必須重視試驗變壓器輸出的電壓波形是否合乎標準。
造成試驗變壓器輸出電壓畸變的最主要原因，是試驗變壓器鐵芯磁化曲線的非線性，特別是當使用到臨近飽和段時，激磁電流就含有三次諧波分量，在調壓器漏感較大時，輸出波形就會產生明顯畸變。此外，供電電網的電壓波形有時也包含諧波分量。為了減小波形畸變，試驗變壓器應選用優質低磁密的鐵心，變壓器和調壓器的短路電抗都應較小，必要時可設置LC濾波裝置。在波形質量要求高時，可采用電動發電機組產生可調壓的正弦波電壓。這也意味著進行工頻耐壓試驗時，應當采用測量波形的表計。僅測量峰值或有效值的表計，如后面將要講到的峰值電壓表和靜電電壓表，只是在驗證工頻波形合格時，才予以應用。