電力系統(tǒng)中的高壓電氣設(shè)備，除了承受長時(shí)期的工作電壓作用外，在運(yùn)行過程中，還可能會(huì)承受短時(shí)的過電壓和操作過電壓的作用。高壓試驗(yàn)就是用來檢驗(yàn)高壓電氣設(shè)備在過電壓和操作過電壓作用下的絕緣性能或保護(hù)性能。由于高壓試驗(yàn)本身的復(fù)雜性等原因，電氣設(shè)備的交接及預(yù)防性試驗(yàn)中，一般不要求進(jìn)行高壓試驗(yàn)。

電壓試驗(yàn)采用全波電壓波形或截波電壓波形，這種電壓持續(xù)時(shí)間較短，約數(shù)微秒至數(shù)十微秒，它可以由電壓發(fā)生器產(chǎn)生；操作電壓試驗(yàn)采用操作電壓波形，其持續(xù)時(shí)間較長，約數(shù)百至數(shù)千微秒，它可利用電壓發(fā)生器產(chǎn)生，也可利用變壓器產(chǎn)生。許多高電壓試驗(yàn)室的電壓發(fā)生器既可以產(chǎn)生電壓波，也可以產(chǎn)生操作電壓波。本節(jié)僅將產(chǎn)生全波的電壓發(fā)生器作一簡單的介紹。

電壓發(fā)生器是產(chǎn)生電壓波的裝置。如前所述，電壓波形是一個(gè)很快地從零上升到峰值然后較慢地下降的單向性脈沖電壓。這種電壓通常是利用高壓電容器通過球隙對(duì)電阻電容回路放電而產(chǎn)生的。圖3-27給出了電壓發(fā)生器的兩種基本回路：回路1見圖3-27(a)和回路2見圖3-27(b)。

圖3-27中的主電容C₁在被間隙G隔離的狀態(tài)下由直流電源充電到穩(wěn)態(tài)電壓U₀。當(dāng)球隙G被點(diǎn)火擊穿后，主電容C₁上的電荷一方面經(jīng)電阻R₂放電，同時(shí)C₁通過R₁對(duì)負(fù)荷電容C₂充電，在被試品上形成上升的電壓波前。當(dāng)C₂上的電壓波充電達(dá)到最大值后，反過來經(jīng)R₁與C₁一起對(duì)R₂放電，在被試品上形成下降的電壓波尾。被試品的電容可以等值地并入電容C₂中。一般選擇R₂比R₁大得多得多，這樣就可以在C₂上得到所要求的波前較短(時(shí)間常數(shù)R₁C₂較小)而波長較長(時(shí)間常數(shù)R₂C₁較大)的電壓波形。輸出電壓峰值U_m與U₀之比，稱為電壓發(fā)生器的利用系數(shù)η。由于U_m不可能大于由電容上的起始電荷U₀C₁分配到(C₁+C₂)后所決定的電壓，即

 ，  故得

                                         (3-20)

可見，為了提高電壓發(fā)生器的利用系數(shù)，應(yīng)該選擇C₁比C₂大得多。

如上所述，由于一般選擇R₂C₁? R₁C₂，在回路2中，在很短的波前時(shí)間內(nèi)，C₁對(duì)R₂放電時(shí)，對(duì)C₁上的電壓沒有顯著影響，所以回路2的利用系數(shù)主要決定于上述電容間的電荷分配，即

                                             (3-21)

而在回路1中，影響輸出電壓幅值U_m的，除了電容上的電荷分配外，還有在電阻R₁、R₂上的分壓作用。因此，回路1的利用系數(shù)可近似地表示為

                                      (3-22)

比較式(3-21)及式(3-22)可知，η₂＞η₁，所以回路2稱為高效率回路。由于回路2具有較高的利用系數(shù)，在實(shí)際的電壓發(fā)生器中，回路2常被采用，作為電壓發(fā)生器的基本接線方式。

下面就以圖3-28回路2為基礎(chǔ)來分析回路元件與輸出電壓波形的關(guān)系。

為使問題簡化，在決定波前時(shí)，可忽略R₂的作用，即把圖3-27回路2簡化成如圖3-28(a)所示。這樣，C₂上的電壓可用下式表示

                                   （3-23)

式中 τ1——決定波前的時(shí)間常數(shù)。

根據(jù)波視在波前T₁的定義（詳見第一章第四節(jié)），可知當(dāng)t=t₁時(shí)，u(t₁)=0.3U_m；t=t₂時(shí)，u(t₂)=0.9U_m。即

或                                             （3-24）

及                       

或                                         （3-25） 

式（3-24）除以式（3-25）得

而波前時(shí)間

                                   (3-26)

同樣，在決定半峰值時(shí)間時(shí)可忽略R₁的作用，即把回路簡化成如圖3-28(b)所示。這樣，輸出電壓可用下式表示

                  (3-27)

式中τ₂——決定半峰值時(shí)間的時(shí)間常數(shù)。

根據(jù)半峰值時(shí)間T₂的定義(詳見第一章第四節(jié))，可以列出方程式

由此得

           (3-28)

應(yīng)當(dāng)指出，式(3-26)及式(3-28)的關(guān)系是在略去了許多影響因素(其中包括回路電感的影響)以后近似推出的。根據(jù)較詳細(xì)的分析計(jì)算和在實(shí)際裝置上測(cè)量校驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，推薦使用下述修正的公式。

             (3-29)

當(dāng)回路電感較大時(shí)，上式中的系數(shù)取較小的值。上述兩個(gè)公式可以用來計(jì)算電壓發(fā)生器的參數(shù)和調(diào)整電壓發(fā)生器的輸出電壓波形。

由于受到整流設(shè)備和電容器額定電壓的限制，單級(jí)電壓發(fā)生器的最高電壓一般不超過200～300kV。但實(shí)際的電壓試驗(yàn)中，常常需要產(chǎn)生高達(dá)數(shù)千千伏的電壓，就只有多級(jí)電壓發(fā)生器才能做到了。多級(jí)電壓發(fā)生器的工作原理簡單說來就是利用多級(jí)電容器在并聯(lián)結(jié)線下充電，然后通過球隙將各級(jí)電容器串聯(lián)起來放電，即可獲得幅值很高的電壓。適當(dāng)選擇放電回路中各元件的參數(shù)，即可獲得所需的電壓波形。

圖3-29所示為多級(jí)電壓發(fā)生器的電路圖。圖中，先由工頻試驗(yàn)變壓器T經(jīng)過整流元件V和充電電阻R_ch、保護(hù)電阻R_b給并聯(lián)的各級(jí)主電容C₁～C₃充電，達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，點(diǎn)1、3、5的電位為零；點(diǎn)2、4、6的電位為-U₀，充電電阻R_ch?波尾電阻R₂?阻尼電阻R_g，各級(jí)球隙G1～G4的放電電壓調(diào)整到稍大于U₀。當(dāng)主電容充電完成后，設(shè)法使間隙G1點(diǎn)火擊穿，此時(shí)點(diǎn)2的電位由-U₀突然升到零；主電容C₁經(jīng)G1和R_ch1放電，由于R_ch1的阻值很大，故放電進(jìn)行得很慢，且?guī)缀跞?/span>電壓都降落在R_ch1上，使點(diǎn)1的電位升到+U₀。當(dāng)點(diǎn)2的電位突然升到零時(shí)，經(jīng)R_ch4也會(huì)對(duì)C_p4充電，但因R_ch4的阻值很大，在極短的時(shí)間內(nèi)，經(jīng)R_ch4對(duì)C_p4的充電效應(yīng)是很小的，點(diǎn)4的電位仍接近于-U₀，于是間隙G2上的電位差接近于2U₀，促使G2擊穿，G2擊穿后，主電容C₁通過串聯(lián)電路G1—C₁—R_g2—G2對(duì)C_p4充電；同時(shí)又串聯(lián)C₂后對(duì)C_p3充電；由于C_p4、C_p3的值很小，R_g2的值也很小，故可以認(rèn)為G2擊穿后，對(duì)C_p4、C_p3的充電幾乎是立即完成的，點(diǎn)4的電位立即升到+U₀，而點(diǎn)3的電位立即升到+2U₀；與此同時(shí)，點(diǎn)6的電位卻由于R_ch6和R_ch5的阻隔，仍維持在原電位-U₀；于是間隙G3上的電位差就接近3U₀，促使G3擊穿。接著，主電容C₁、C₂串聯(lián)后，經(jīng)G1、G2、G3電路對(duì)C_p6充電；再串聯(lián)C₃后對(duì)C_p5充電；由于C_p5、C_p6極小，R_g2、R_g3也很小，故可以認(rèn)為C_p6和C_p5的充電幾乎是立即完成的；也即可以認(rèn)為G3擊穿后，點(diǎn)6的電位立即升到+2U₀，點(diǎn)5的電位立即升到+3U₀。P點(diǎn)的電位顯然未變，仍為零。于是間隙G4上的電位差接近達(dá)3U₀，促使G4擊穿。這樣，各級(jí)主電容C₁~C₃就被串聯(lián)起來，經(jīng)各組阻尼電阻R_g向波尾電阻R₂放電，形成主放電回路；與此同時(shí)，也經(jīng)R₁對(duì)C₂和被試品電容充電，形成電壓波的波前。

與此同時(shí)，也存在著各級(jí)主電容經(jīng)充電電阻R_ch、阻尼電阻R_g和中間球隙G的局部放電。由于R_ch的值足夠大，這種局部放電的速度比主放電的速度慢很多倍，因此，可認(rèn)為對(duì)主放電沒有明顯的影響。

中間球隙擊穿后，主電容對(duì)相應(yīng)各點(diǎn)朵散電容C_p充電的回路中總存在某些寄生電感，這些雜散電容的值又極小，這就可能會(huì)引起一些局部振蕩。這些局部的振蕩將疊加到總的輸出電壓波形上去。為消除這些局部振蕩，就應(yīng)在各級(jí)放電回路中串入一阻尼電阻R_g，此外，主放電回路本身也應(yīng)保證不產(chǎn)生振蕩。

電壓是非周期性的快速變化過程。因此，測(cè)量電壓的儀器和測(cè)量系統(tǒng)必須具有良好的瞬變響應(yīng)特性。電壓的測(cè)量包括峰值測(cè)量和波形記錄兩個(gè)方面。目前常用的測(cè)量電壓的方法有：①測(cè)量球隙；②分壓器一峰值電壓表；③分壓器一示波器。球隙和峰值電壓表只能測(cè)量電壓的峰值，示波器則能記錄波形，即不僅能指示電壓的峰值，而且能顯示電壓隨時(shí)間的變化過程。