電力系統(tǒng)中的高壓電氣設(shè)備，除了承受長時期的工作電壓作用外，在運(yùn)行過程中，還可能會承受短時的過電壓和操作過電壓的作用。高壓試驗就是用來檢驗高壓電氣設(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)防性試驗中，一般不要求進(jìn)行高壓試驗。

電壓試驗采用全波電壓波形或截波電壓波形，這種電壓持續(xù)時間較短，約數(shù)微秒至數(shù)十微秒，它可以由電壓發(fā)生器產(chǎn)生；操作電壓試驗采用操作電壓波形，其持續(xù)時間較長，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C₁通過R₁對負(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(時間常數(shù)R₁C₂較小)而波長較長(時間常數(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，在很短的波前時間內(nèi)，C₁對R₂放電時，對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，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，u(t₁)=0.3U_m；t=t₂時，u(t₂)=0.9U_m。即

或                                             （3-24）

及                       

或                                         （3-25） 

式（3-24）除以式（3-25）得

而波前時間

                                   (3-26)

同樣，在決定半峰值時間時可忽略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——決定半峰值時間的時間常數(shù)。

根據(jù)半峰值時間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)的分析計算和在實(shí)際裝置上測量校驗的經(jīng)驗，推薦使用下述修正的公式。

             (3-29)

當(dāng)回路電感較大時，上式中的系數(shù)取較小的值。上述兩個公式可以用來計算電壓發(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)際的電壓試驗中，常常需要產(chǎn)生高達(dá)數(shù)千千伏的電壓，就只有多級電壓發(fā)生器才能做到了。多級電壓發(fā)生器的工作原理簡單說來就是利用多級電容器在并聯(lián)結(jié)線下充電，然后通過球隙將各級電容器串聯(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所示為多級電壓發(fā)生器的電路圖。圖中，先由工頻試驗變壓器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)的各級主電容C₁～C₃充電，達(dá)穩(wěn)態(tài)時，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，經(jīng)R_ch4也會對C_p4充電，但因R_ch4的阻值很大，在極短的時間內(nèi)，經(jīng)R_ch4對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C_p4充電；同時又串聯(lián)C₂后對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，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C_p6充電；再串聯(lián)C₃后對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，也經(jīng)R₁對C₂和被試品電容充電，形成電壓波的波前。

與此同時，也存在著各級主電容經(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)為對主放電沒有明顯的影響。

中間球隙擊穿后，主電容對相應(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，測量電壓的儀器和測量系統(tǒng)必須具有良好的瞬變響應(yīng)特性。電壓的測量包括峰值測量和波形記錄兩個方面。目前常用的測量電壓的方法有：①測量球隙；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間的變化過程。