1、便携式直流高压试验器的原理与使用一、 直流试验仪器的发展直流高压试验是检测高压电气设备绝缘缺陷的基本方法之一，直流耐压试验与交流耐压试验相比有所需设备容量小，体积轻便，便于现场试验，对试品破坏性小等优点，能有效的发现瓷质绝缘子的裂纹、夹层绝缘设备的内部受潮及局部松散断裂、破损以及绝缘油质劣化，绝缘的沿面炭化等缺陷，因此，对高压电力电缆、避雷器、油断路器、发电机、变压器等电气设备的现场试验，直流高压试验是一种行之有效的手段。直流耐压试验所需的直流高压电源，其获得方式大体上经历了以下几个阶段：早期采用半波整流方式，以后发展了工频倍压整流方式。随着电子技术的不断发展，近 20 年来又出现了中频倍压整
2、流方式获得直流高压的直流发生器，在同等输出功率的条件下，其体积和重量比工频倍压整流方式大大降低，且其直流电压脉动系数也有了很大的改善，更适合现场的使用，目前，采用该种方式获得直流高压电源，是直流耐压试验仪器的主要发展方向。中频倍压整流型直流高压发生器，也经历了几代的发展而日趋完善。六十年代末的晶体管直流高压试验器，是我国第一代中频倍压、便携式直流高压试验器，JGS 型是其典型代表，如宁夏电子仪器厂早期生产的 JGS-60 型，输出电压 60KV，输出电流 1mA，由于元器件的限制，在高电压、大容量方面受到了限制。七十年代末，KGS 型直流发生器的研制成功，形成了我国中频倍压型直流发生器的第二代
3、产品，解决了我国 200KV 及以上直流高压试验仪器高电压、大功率的问题，如宁夏电子仪器厂的 KGS-200 型，输出电压可达到 200KV 或更高，可控硅技术的应用，使的直流发生器在重量和体积方面较 JGS 型有了大幅度的下降，缺点是仍然没有解决 JGS 型试验仪器所存在的电压脉动系数过高的问题，其电压脉动系数达到 3%-5%，不能很好的满足电压脉动系数小于 3%的要求。随着电子技术的快速发展，特别是进入九十年代以来，以 ZGS 型为代表的直流发生器进入了市场，如北京机电研究院的 BGG-600/3 型、苏州华电的 ZGS-600/3 型，产品采用中频脉宽调制技术调制直流高压，使用 IGBT
4、 高压大功率电子器件，形成我国第三代中频倍压型直流高压发生器，输出电压与输出功率方面有了更大的提高，最高输出电压可达到 800KV，输出电流 3-5mA，同时，直流电压的波形也有了很大的改善，而其重量和体积却大幅度的下降，极大的方便了现场试验工作，受到现场试验工作者的欢迎，直流高压试验仪器，真正成为了便携式仪器，如 BGG-60/5 型，整机重量仅有 10Kg，比 KGS-60/1 型的近40Kg 有大幅度的下降。二、 直流高压试验电源的要求国标 GB311.83 对直流高压试验电源有两点原则性的规定：一是直流电压测量系统误差要小于 3%，二是直流高压脉动系数要小于 3%。对于直流高压试验仪器
5、，还要求具备过压、过流、零电压升压等保护功能，同时要求稳压性能良好，能够经受试品击穿放电对仪器的冲击而不损坏。三、 直流高压试验电源的产生方式3.1.半波整流方式半波整流是获得直流电压最方便、使用最早的一种方式，其原理接线如图3.1.1 所示：图 3.1.1 中 T 为高压试验变压器，D 为高压整流硅堆，C 为滤波稳压电容，CxD R uAE2 C CxT图 3.1.1 图 3.1.2为被试品。由于高压滤波电容的存在，其直流高压波形如图 3.1.2，当泄漏电流很小时，高压输出的电压值可以近似的认为是交流高压的峰值。这种整流方式由于电网电压的波动，输出的直流高压随之波动，如果试品的泄漏电流很大泄
6、漏电流值将很不稳定，难以正确的读数，这要靠增加滤波电容，以增加回路的放电常数 K=RC 来解决。这种方式在直流试验的早期大量采用，由于最高输出电压只能达到试验变压器的峰值电压且受整流硅堆反峰电压的影响，限制了这种方式的进一步发展，目前已很少使用，但在试品电流较大的情况下，如 300MW 的水内冷发电机，通过选用大容量的变压器和整流硅堆，这种方法仍在继续使用，现场对试验电压波形要求不高的场所，也经常使用。半波整流的电压调整方式采用交流调压器法，只能手动或电动操作，无法自动跟踪试验电压，因而电压的稳定性较差。3.2.工频倍压整流六十年代初期，在直流高压试验中，引入了倍压整流电路，如图 3.2.1，
7、为二级倍压整流电路：图中，T 为高压试验变压器，E2 为试验变压器高压侧电压的峰值，当负载电流为零时，E2 通过 D1 向 C1 充电到 E2max，当 E2 上端为正时 E2 与 C1 上的电压叠加通过 D2 向 C2 充电到 2E2max，使 C2 上得到二倍电压值，同理可在 C4 上得到四倍电压值，图 3.2.1 便称为二级倍压电路。C1 C2D1 D2 D3 D4TC3 C4 Cx图 3.2.1当倍压级数为 n，变压器高压侧的电压峰值为 E，电路的空载输出电压U=2nE。当直流高压侧有负载电流输出时，倍压电路自身存在电压降，该电压降与倍压级数的三次方成正比，与负载电流成正比，与电源频率
8、和电容 C 的乘积成反比，当试验变压器一定时，如果需要一定的试验电压，必须增加倍压级数 n，而随着倍压级数 n 的增加，倍压电路的电压降将达到不能容许的程度，甚至出现不能带负载的情况。德州电厂使用的福建龙岩无线电三厂的 JGS-200型直流发生器，在进行氧化锌避雷器试验时，电压升到 180KV，电流 800mA 时，便无法继续升压，就属于此例，也就是常说的负载能力差。因此，在一定的倍压级数的情况下，要减小回路的电压降，只有增加电容量 C 或提高试验变压器的二次输出电压和提高工作频率。增加电容量 C 或提高变压器的二次输出电压，势必带来仪器体积庞大，重量增加等弊端，不利于现场的使用，因而，工频倍
9、压整流电路的使用受到了一定的限制。工频倍压整流型直流发生器，是直流高压试验设备发展的第二阶段，与初级阶段的半波整流方式比较，无疑是一个很大的进步，但是，工频倍压整流与半波整流方式一样，受电网电压波动的影响较大，加上其自身固有的缺点，也限制了它的进一步发展。工频倍压整流直流试验发生器的调压方式，仍采用调压器法，同半波整流方式一样，只能手动或电动操作，无法自动跟踪试验电压，因而电压的稳定性较差。3.3.中频倍压整流根据倍压整流电路的电压降反比于 f*C 的关系，增加电容量虽然可以使电压降成比例的减小，但设备的体积与重量也随之增加，这对于便携式直流高压发生器来说是不可取的，因此，提高倍压电路的工作频
10、率即很有吸引力。在同等的电压降条件下，倍压电路的供电频率由 50 赫兹提高到 500 赫兹，倍压电容 C 便可减小 10 倍，倍压电路的体积与重量随之大为减小，因此，采用中频供电的倍压整流电路成为目前便携式直流发生器的主要发展方向。七十年代初期，中频供电的倍压整流直流发生器 JGS-60/1 型投入生产，生产厂家如宁夏电子仪器厂、宁夏电力修造厂等，标志着我国便携式直流发生器的发展进入第三阶段：中频倍压整流阶段。四、 中频电源直流高压发生器倍压电路采用中频电源供电的直流高压试验仪器，有以下特点：（1） 、体积小，重量轻。 （2） 、采用电子调压回路后，负反馈技术可使直流高压输出更加稳定。 （3）
11、 、采用多重电子保护后，动作更加迅速可靠。从七十年代至今，中频直流高压试验器共有以下三代产品，其原理各有差异，使用的元器件各不相同，特点和性能也有较大的差别。4.1.JGS 型直流高压试验器JGS 型直流高压试验器，是第一代中频直流发生器，采用晶体管调压及逆变中频电源，由于七十年代的大功率晶体管只有 200V 左右，JGS 型直流发生器采用工频降压供电方案，将 220V 工频交流电压降低到 40V，再经整流滤波后输出电压可调的线性稳压电路，调节 0-36V 的直流，供给桥式逆变电路，桥式中频逆变电路如图 4.1.1 所示：图 4.1.1 中，K1-K4 为电子开关，K1、K3 同时开通，高压变
12、压器 A 端为正，B端为负， ，K2、K4 同时开通，则 A 端为负，B 端为正，由于高压变压器 A、B 两端轮流接向正、负电源，使高压次级感应出高电压供给倍压电路，逆变频率决定于 K1-K4 的开通频率。+K1 K3E20-36V A E1 BK2 K4-图 4.1.1JGS 型逆变便携式直流高压发生器的特点是直流高压波形好，调压比较稳定，缺点是输出功率比较小，由于工频变压器的存在，体积、重量较大。电子开关采用晶体三极管，这种中频逆变电路是七十年代生产的 JGS 型直流发生器的基本电路，如图 4.1.2 所示。由于晶体管存在载流子存储效应，关断过程中有极短的延时时间，使得图4.1.2 中的
13、BG1 和 BG4、BG2 和 BG3 带来极短时间的上下直通，即直流短路，此短路电流的存在使 BG1-BG4 产生附加发热，结温增加，严重时可能损坏三极管，限制了 JGS 型直流发生器向大功率、高电压的方向发展，其输出功率只能达到60W 左右。JGS 型直流发生器调压方式采用可调线性稳压电源法，由于采用线性稳压电源，可使直流高压有较好的稳定度，100HZ 波动也较小，但因线性稳压的功耗大，需要工频降压变压器，重量、体积均较大，在向高电压、大功率方向的发展上受到了限制。4.2.KGS 型直流高压发生器第一代的直流高压发生器 JGS-60/1 的问世，只能解决 10KV 电压等级的电气设备的试验
14、问题，35KV 及以上电压等级的电气设备的试验，迫切需要功率更大的便携式直流高压试验仪器。八十年代初期，直流发生器的第二代产品，+BG1 BG3E20-36V A E1 BBG2 BG4-图 4.1.2KGS 型可控硅直流发生器推向市场，KGS 型直流发生器采用可控硅调压、逆变，最大输出功率可以达到 600KV/3mA，即 1800W。KGS 型直流发生器，由交流 220V 电源供电，与 JGS 型相比无工频主电源降压变压器，交流 220V 经可控硅移相调压，输出 100HZ 断续正弦波，经电感、电容滤波后，供可控硅中频逆变。中频逆变电路如图 4.2.1。图 4.2.1 中，SCR1、SCR2
15、 为高频可控硅元件，交替在 SCR1、SCR2 的触发极上施加触发交流脉冲，两者轮流导通与关断，在输出变压器 T 线圈中产生交变磁通，输出中频电压，C 为换向电容器，D1、D2 为防止电容 C 上电荷向负载电阻放电用。D3、D4、L2、L3 回路为换向电容 C 放电过程中提供反向通路以提高换向效率，同时，C 与 L2、L3 的振荡回路给 SCR1、SCR2 提供反向关断时间。该电路的优点是输出功率大，缺点是可控硅的关断需要 LC 电路，使的便携式直流发生器的重量难以减轻，使用不方便，另外，从零起升压过程中，换向电容提供的换流能力有限，需要强制关断的强充电路，直流高压调节的稳定性不理想，电压的脉
16、动系数较高。KGS 型直流发生器的调压方式采用可控硅整流调压方式，通过改变可控硅导通角，改变输出电压波形的平均值，实现调节直流电压的功能。优点是可以E2TL1+D1 D2CD3 D4L2 SCR1 SCR2 L3-图 4.2.1节省一个大功率的降压变压器，一定程度上减轻了设备的重量，但调节的线性及快速性欠佳，波形较差。八十年代，KGS 型大功率直流高压发生器在我国电力行业得到了广泛的应用，为电力设备的现场试验提供了轻便、有效的试验工具。进入九十年代，随着 ZBF24003-90便携式直流高压发生器通用技术条件的颁布实施，KGS 型试验器自身的许多缺点不能满足要求，急待改进。4.3.大功率 MO
17、S 管（IGBT）调压及逆变直流高压发生器伴随着 ZBF24003-90便携式直流高压发生器通用技术条件的颁布实施，为满足技术条件的要求，第三代 ZGS 型中频倍压直流发生器应运而生，采用最新的功率场效应器件 IGBT 大功率 MOS 管，作为脉宽调制（PWM）调压及中频逆变的电子开关器件。IGBT 具有反向电压高，开关时间短，工作电流大特点，兼备了可控硅的优点。IGBT 是电压控制元件，驱动功率小，克服了可控硅和大功率三极管驱动功率大的缺点，另外，IGBT 具有自关断特性，不象可控硅那样需要借助 LC 振荡电路来关断，使得 IGBT 电路比可控硅电路性能更好、更稳定，同时重量、体积也大为减小
18、。使用 IBGT 功率管的逆变电路如图 4.3.1。图中，MOS1-MOS4 为 IGBT 功率管，中频逆变功率可以从数百瓦到数十千瓦，开MOS1 E2 MOS3A BMOS2 MOS4图 4.3.1关时间较大功率晶体管低一个数量级，故其开关损耗也远远小于大功率晶体管。ZGS 的另一大特点是先进的脉冲宽度调制技术（PWM）来调节电压电流，采用 10KHz 的开关频率，变化每个脉冲宽度，使输出电压能从 0-100%额定电压平稳调节。这对于一些对直流高压要求较高的试验，如直流分压器的校验、氧化锌避雷器直流参考电压试验等均能满足要求，其直流电压的脉动因数达到了0.5%以下，很好的满足了 ZBF240
19、03-90 规定的直流电压脉动因数小于 3%的要求。目前，脉宽调制式直流高压发生器已成为市场上最受欢迎的直流高压发生器，其最高输出电压可达到 800KV，输出电流达到了 5mA，很好的解决了现场对高电压大功率直流发生器的需求问题。ZGS 型直流高压发生器的调压方法采用脉冲宽度调制开关电源方式（PWM）是当今最新、最广泛的调节直流电压的方式，具有以下特点：1、 节能。对于便携式仪器来讲，意味着仪器的发热量小，仪器的散热问题容易解决，对减轻重量、减小体积很有好处。2、 电压调节线性好。由于被调节的直流电压正比于脉冲宽度的平均值，输出直流电压与调节旋钮的旋转完全线性关系，调节方便。3、 电压调节稳定
20、度好。输出直流高压纹波系数小。4、 单位体积功率密度大，效率高，电网电压适应范围宽。五、 便携式直流高压发生器的使用目前，便携式直流高压发生器在电力设备高压试验领域得到了广泛的应用，已经成为各试验单位必备的试验仪器之一，为更好的使用该仪器，减少在使用过程中不必要的损坏，使之更好的发挥作用，使用过程中应注意以下几点：1、 新仪器使用前应熟悉仪器的使用说明书，了解仪器的基本原理和性能。2、 使用前应首先检查备压筒完好无损，内部接线无断开及短路，筒内无结露，表面干净清洁。3、 按照仪器的使用说明书进行接线，所有的接线电缆插头应接触良好。4、 操作箱、备压筒的接地线接地良好牢固，不可接零。5、 检查设
21、备的各位置开关正确仪表倍率开关无误后，空试设备良好。6、 进行直流高压试验前，应首先进行试品的绝缘电阻检查，确认试品无接地。7、 在进行试品接线前，应先将备压筒的高压端接地，以释放空试设备时备压电容的残余电荷，然后将试品与试验设备连接好，高压引线最好采用高绝缘强度的导线，以减少引线对地的杂散电流。8、 升压试验，对于大电容量的试品，如电力电缆，升压过程中控制充电电流不大于设备的额定电流，待电流值稳定时读取泄漏电流值。9、 试品放电，对于小电容量的试品，如高压开关等，可以直接对试品放电，对于大容量的试品，必须用放电棒经放电电阻放电待试品上的残余电压降到试验电压的 10-20%时，方可直接放电。六
22、、 直流高压发生器的选用1、 根据需要的试验电压，在满足使用条件的前提下，留有适当的裕度，选用最小额定值的设备，以免造成不必要的体积、重量和价格的负担。2、 选用设备的性能要满足 ZBF24003-90便携式直流高压发生器通用技术条件的要求。3、 尽可能选用最新型的 ZGS 型直流高压发生器，以充分享受其体积小、重量轻、性能优良的特点。4、 选用设备的操作面板要简洁明了，连接电缆要少，操作简单，使用方便。5、 仪器的过压、过流、零位保护功能齐全。七、 结束语总之，随着电力工业突飞猛进的发展，直流试验仪器也有了长足的进步。相信，随着电子技术的日新月异和新材料、新工艺的不断应用，不久的将来，一种更轻、更小、更稳定的直流试验仪器一定会呈现在人们的面前。参考文献1、 KGS-60/1 直流高压发生器使用说明书宁夏电子仪器厂2、 JGS-200/2 直流高压发生器使用说明书福建龙岩无线电厂3、 ZBF24003-90 便携式直流高压发生器通用技术条件4、 电子技术基础 水利电力出版社5、 BGG-60/5 直流高压发生器使用说明书 北京机电研究院高电压技术公司6、 高压电气设备试验方法 水利电力出版社7、 高电压技术 水利电力出版社
