第2篇_電氣絕緣與高電壓實(shí)驗(yàn)

1、主講人：陳兆權(quán)主講人：陳兆權(quán) 博士博士 第二篇第二篇 電氣設(shè)備與高電壓試驗(yàn)電氣設(shè)備與高電壓試驗(yàn)安徽理工大學(xué)安徽理工大學(xué)5.2 5.2 直流高電壓試驗(yàn)直流高電壓試驗(yàn)5.2.1 直流高電壓的產(chǎn)生5.2.2 直流工頻高電壓的測(cè)量5.2.3 絕緣的直流耐壓試驗(yàn)5.2.1直流高電壓的產(chǎn)生 一些高壓試驗(yàn)設(shè)備，如沖擊電壓發(fā)生器和沖擊電壓電流發(fā)生器，需要直流高壓作電源。直流高電壓在其他科技領(lǐng)域也有廠泛的應(yīng)用，其中包括靜電噴漆、靜電紡織、靜電除塵、X射線發(fā)生器、等離子體加速以及原子核物理研究中都使用直流高壓作為電源。為了獲得直流高電壓，最常用的就是變壓器和整流裝置的組合，另外還有通過(guò)靜電方式產(chǎn)生直流高壓。 1.

2、 半波整流回路 應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)生直流高壓的方法是將交流電壓通過(guò)整流元件整流而獲得。常用的整流設(shè)備如圖5-14所示的半波整流電路（a）及其輸出波形（b）。（a）（b）圖5-14半波整流電路(a)及輸出電壓波形圖(b) 整流回路的基本技術(shù)參數(shù)有三個(gè)，即輸出的額定直流電壓（算術(shù)平均值）Ud,相應(yīng)的額定直流電流（平均值）Id以及電壓脈動(dòng)系數(shù)S(紋波系數(shù))。（1）額定平均輸出電壓Ud2minmaxUUUd（2）額定平均輸出電流IdLddRUI（3）電壓脈動(dòng)系數(shù)SdUUS2minmaxUUU式中 表示電壓脈動(dòng)幅度。2. 倍壓整流回路 采用倍壓整流回路可獲得等于(23)m的直流電壓。如圖5-15所示，這種電

3、路實(shí)際上可看作兩個(gè)半波電路的疊加，因而它的參數(shù)計(jì)算可參照半波電路的計(jì)算原則進(jìn)行。圖5-15電源變壓器兩端對(duì)地絕緣的倍壓電路3. 串級(jí)直流發(fā)生器 利用圖5-17(a)的倍壓整流電路作為基本單元，多級(jí)串聯(lián)起來(lái)即可組成一臺(tái)串級(jí)直流高壓發(fā)生器，如圖5-17(b)所示。圖5-17（a）基本倍壓整流電路 圖5-17(b)兩極串級(jí)直流高壓發(fā)生器接線圖5.2.2 直流工頻高電壓的測(cè)量 高壓高組法 高阻可作為放大器或分壓器來(lái)使用。采用平均值型指示儀表對(duì)紋波小的直流電壓進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于雜散電容的影響可以忽略，所以不需要對(duì)測(cè)量高阻進(jìn)行屏蔽；當(dāng)對(duì)紋波較高的直流電壓的最大值進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于雜散電容的影響，會(huì)造成測(cè)量誤差

4、，可將高阻進(jìn)行屏蔽或采用阻容分壓器。2. 旋轉(zhuǎn)電位計(jì) 電極在電場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，由于電極間電容的變化，形成充放電電荷，通過(guò)測(cè)量充放電電荷的大小，從而求得直流電壓的最大值和平均值的一種裝置。旋轉(zhuǎn)電位計(jì)的測(cè)量精度高， 不確定度在 1以內(nèi)。其結(jié)構(gòu)如圖5-18所示。圖5-18 旋轉(zhuǎn)電位計(jì)3. 靜電電壓表 與交流電壓的測(cè)量原理一樣，可測(cè)量直流電壓的平均值。但是，在工作原理上，它表示的是直流電壓瞬時(shí)值平方的平均值，因此，在紋波較大的情況下，測(cè)量值就不是直流電壓的平均值，這一點(diǎn)必須加以注意。4. 標(biāo)準(zhǔn)棒一棒間隙 用球間隙測(cè)量直流電壓時(shí)，會(huì)出現(xiàn)下述所提到的放電電壓的波動(dòng)，因此，IEC規(guī)定中，推薦使用圖5-19所示結(jié)構(gòu)

5、的棒一棒間隙。圖5-19直流電壓測(cè)量用棒間隙5. 標(biāo)準(zhǔn)球間隙 測(cè)量裝置以及測(cè)量方法與測(cè)量交流電壓時(shí)一樣。但大氣中的灰塵或纖維等會(huì)引起放電電壓的變化，就是說(shuō)長(zhǎng)時(shí)間加壓時(shí)，放電電壓可能會(huì)變得特別低。因此，在測(cè)量直流時(shí)，推薦采用前面所述的棒一棒間隙。用球隙測(cè)量直流電壓時(shí)，應(yīng)在間隙的軸垂直方向維持穩(wěn)定的氣流，氣流最低為3m/s。6. 紋波電壓的測(cè)量 如圖5-20所示，在電容與電阻的串聯(lián)回路上施加含有紋波電壓分量Ur的直流電壓。當(dāng)紋波電壓的頻率f 時(shí)，電阻R兩端的電壓為：)21/(2fCRjfCRVjVr如果 ，則U Ur，可得到紋波電壓。 12fCR圖5-20 紋波電壓測(cè)量5.2.3 絕緣的直流耐壓試

6、驗(yàn) 直流高壓能反映設(shè)備受潮、劣化和局部缺陷等多方面的問(wèn)題。它和交流耐壓試驗(yàn)相比主要有以下一些特點(diǎn)：（1）試驗(yàn)設(shè)備可以做得比較輕巧，適合于現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防性試驗(yàn)的要求。（2）在試驗(yàn)時(shí)可以同時(shí)測(cè)量泄漏電流。（3）直流耐壓試驗(yàn)比之交流耐壓試驗(yàn)更能發(fā)現(xiàn)電機(jī)端部的絕緣缺陷。（4）在直流高壓下，局部放電較弱。5.3 沖擊高電壓試驗(yàn)5.3.1 沖擊高電壓的產(chǎn)生5.3.2 沖擊高電壓的測(cè)量5.3.3 絕緣的沖擊耐壓試驗(yàn)5.3.1 沖擊高電壓的產(chǎn)生1. 沖擊發(fā)生器的基本原理 沖擊電壓發(fā)生器的原理圖如圖5-22所示。圖5-22 沖擊電壓發(fā)生器原理圖2.基本回路 標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊全波采用的是非周期性雙指數(shù)波。 波尾時(shí)間常數(shù)波尾

7、時(shí)間常數(shù) 波前時(shí)間常數(shù)波前時(shí)間常數(shù))()(21tteeAtu12 )()(21tteeAtu圖5-23 (a) 雙指數(shù)函數(shù)沖擊電壓波 )1 ()(2teAtu1)(tAetu波尾，波前，圖5-24 (a)可獲得沖擊電壓波前的回路 (b)可獲得沖擊電壓波尾的回路 實(shí)際沖擊電壓發(fā)生器采用圖5-26的回路。 圖5-26 沖擊電壓發(fā)聲器常用回路 放電回路的利用系數(shù) 211221102RRRCCCUUm3.多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器能產(chǎn)生的最高電壓一般不超過(guò)200300kV。因而采用多級(jí)疊加的方法來(lái)產(chǎn)生波形和幅值都能滿足需要的沖擊高電壓波。 多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器原理接線圖: 圖5-27多級(jí)沖擊電

8、壓發(fā)生器的原理接線圖基本原理:并聯(lián)充電，串聯(lián)放電 圖5-28 沖擊電壓發(fā)生器充電過(guò)程等值電路圖5-29沖擊電壓發(fā)生器放電過(guò)程等值電路沖擊電壓發(fā)生器的起動(dòng)方式： 自起動(dòng)方式：只要將點(diǎn)火球隙F1的極間距離調(diào)節(jié)到使其擊穿電壓等于所需的充電電壓 ，當(dāng)F1上的電壓上升到等于 時(shí)，F(xiàn)1即自行擊穿，起動(dòng)整套裝置。 方式二：使各級(jí)電容器充電到一個(gè)略低于F1擊穿電壓的水平上，處于準(zhǔn)備動(dòng)作的狀態(tài)，然后利用點(diǎn)火裝置產(chǎn)生一點(diǎn)火脈沖，送到點(diǎn)火球隙F1中的一個(gè)輔助間隙上使之擊穿并引起F1的主間隙擊穿,起動(dòng)整套裝置。CUCU5.3.2 沖擊高電壓的測(cè)量 目前最常用的測(cè)量沖擊電壓的方法有：分壓器-示波器；測(cè)量球隙；分壓器-峰

9、值電壓表。 球隙和峰值電壓表只能測(cè)量電壓峰值，示波器則能記錄波序，即不僅指示峰值而且能顯示電壓隨時(shí)間的變化過(guò)程。 1. 分壓器與數(shù)字記錄儀（示波器）圖5-30 沖擊電壓測(cè)量系統(tǒng) 由于可同時(shí)測(cè)定波形和峰值，所以在測(cè)量中被廣泛使用。由于數(shù)字記錄儀的輸入電壓一般小于數(shù)百伏，所以常和分壓器一起構(gòu)成沖擊電壓測(cè)量系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行測(cè)量，如圖5-30所示。2. 標(biāo)準(zhǔn)球間隙(1) 多級(jí)法 以預(yù)期的50%放電電壓的23%作為電壓級(jí)差，對(duì)被測(cè)試品分級(jí)施加沖擊電壓，每級(jí)施加電壓10次。至少要加4級(jí)電壓。要求在最低一級(jí)電壓時(shí)的放電次數(shù)近于零，而在最高一級(jí)電壓時(shí)，近于全部放電。求出每級(jí)電壓下的放電次數(shù)與施加次數(shù)之比P（即放電頻

10、率）后，將其按電壓值標(biāo)于正態(tài)概率紙上，給出擬合直線P=f(U)，在此直線上對(duì)應(yīng)于概率P=0.5的電壓值即為50%放電電壓。 (2) 升降法 估計(jì)50%放電電壓的預(yù)期值后，取Ui的23為電壓增量U，先施加沖擊電壓Ui一次，如未引起放電，則下次施加電壓應(yīng)為UiU，如U1已引起放電，則下次施加電壓應(yīng)為Ui一U，以后的加壓都按下述規(guī)律：凡上次加壓如已引起放電，則下次加壓比上次電壓低U，凡上次加壓未引起放電。則下次加壓比上次電壓高U。這樣反復(fù)加壓2040次，分別計(jì)算出各級(jí)電壓下Ui下的加壓次數(shù)ni，按下式求出50%放電電壓:iiinnUU%50(3) 沖擊峰值電壓表 其工作原理如圖5-33所示，沖擊電壓

11、經(jīng)整流后對(duì)電容器充電，然后通過(guò)高輸入阻抗的放大器，可測(cè)得充電電壓。圖5-33沖擊峰值電壓表5.3.3 絕緣的沖擊耐壓試驗(yàn) 電氣設(shè)備內(nèi)絕緣的雷電沖擊耐壓試驗(yàn)采用三次沖擊法，即對(duì)被測(cè)試品施加三次正極性和三次負(fù)極性雷電沖擊試驗(yàn)電壓（1.2/50 s）對(duì)變壓器和電抗器類設(shè)備的內(nèi)絕緣，還要再進(jìn)行雷電沖擊截波（1.2/25 s）耐壓試驗(yàn)，它對(duì)繞組絕緣（特別是其縱絕緣）的考驗(yàn)往往比雷電沖擊全波試驗(yàn)更加嚴(yán)格。 電力系統(tǒng)外絕緣的沖擊高壓試驗(yàn)通?？刹捎?5次沖擊法，即對(duì)被測(cè)試品施加正、負(fù)極性沖擊全波試驗(yàn)電壓各16次，相鄰兩次沖擊的時(shí)間間隔應(yīng)不小于1min。在每組15次沖擊的試驗(yàn)中，如果擊穿或閃絡(luò)的閃數(shù)不超過(guò)2次，

12、即可認(rèn)為該外絕緣試驗(yàn)合格。內(nèi)、外絕緣的操作沖擊高壓試驗(yàn)的方法與雷電沖擊全波試驗(yàn)完全相同。小 結(jié)獲得直流高電壓的方法有半波整流回路、倍壓整流回路和串級(jí)直流發(fā)生器。6種直流工頻高電壓的測(cè)量方法。利用直流高壓對(duì)電器設(shè)備進(jìn)行耐壓試驗(yàn)有重要的實(shí)際意義，并隨著直流輸電系統(tǒng)的應(yīng)用將會(huì)有更大的發(fā)展。（本章完）獲得沖擊高電壓的方法有單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器和多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器。沖擊高電壓的兩種測(cè)量方法：分壓器與數(shù)字記錄儀和標(biāo)準(zhǔn)球間隙。電氣設(shè)備內(nèi)絕緣的雷電沖擊耐壓試驗(yàn)采用三次沖擊法。電力系統(tǒng)外絕緣的沖擊高壓試驗(yàn)通?？刹捎?5次沖擊法。 第六章第六章 電氣絕緣在線檢測(cè)電氣絕緣在線檢測(cè)離線時(shí)電氣絕緣預(yù)防性試驗(yàn)和高電壓試驗(yàn)具

13、有如下缺點(diǎn)：一、需要停電進(jìn)行，而不少重要的電力設(shè)備不能輕易地停止運(yùn)行；二、檢測(cè)間隔周期較長(zhǎng)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣故障；三、停電后的設(shè)備狀態(tài)與運(yùn)行時(shí)的設(shè)備狀態(tài)不相符，影響診斷的正確性。 在線檢測(cè)是在電力設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)下連續(xù)或周期性檢測(cè)絕緣的狀況，因而可以避免以上缺點(diǎn)，另外建立一套電氣絕緣在線檢測(cè)系統(tǒng)也是實(shí)施電力設(shè)備狀態(tài)維修和建設(shè)無(wú)人值守變電站的基礎(chǔ)。在線檢測(cè)和狀態(tài)維修帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是十分顯著的。 電氣絕緣在線檢測(cè)是一門(mén)多學(xué)科交叉融合的綜合技術(shù)，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，電氣絕緣在線檢測(cè)與故障診斷的技術(shù)水平不斷提高，在線檢測(cè)產(chǎn)品大量投入市場(chǎng)。 6.2.1 局部放電的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 6.2.2 局部放電分析

14、與故障診斷 6.2 局部放電在線監(jiān)測(cè) 局部放電的在線檢測(cè)分為電測(cè)法和非電測(cè)法兩大類，其中電測(cè)法中的脈沖電流法是離線條件下測(cè)量電氣設(shè)備局部放電的基本方法，也是目前在局部放電在線檢測(cè)的主要手段，其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高。電測(cè)法中的射頻測(cè)量法等也都應(yīng)用到了在線檢測(cè)中。電測(cè)法的缺點(diǎn)是由于現(xiàn)場(chǎng)存在著嚴(yán)重的電磁干擾，將大大降低檢測(cè)靈敏度和信噪比。 6.2.1 局部放電的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 脈沖電流法在線檢測(cè)的組成及關(guān)鍵技術(shù)：u 電流傳感器 u 抗干擾技術(shù)圖6 6 局部放電檢測(cè)系統(tǒng)原理框架圖 21( )( ),di tN Se tMMdtl 電流信號(hào)i1(t)和二次側(cè)線圈兩端的感應(yīng)電壓（即輸出信號(hào)）e(t)的關(guān)系為： 電

15、流傳感器（6-3） 傳感器的積分方式有兩種，分別適用于寬帶型和窄帶型傳感器。 寬帶型電流傳感器 211( )( )( )( )Ru tRi ti tKi tN即信號(hào)電壓u(t)和所檢測(cè)的電流i1(t)成線性關(guān)系 （6-6）000122LCLRCRRfL 諧振型電流傳感器)()()(1tiCRRMtuL01122dLdRRfRLCLC（6-15）干擾來(lái)源：線路或其它鄰近設(shè)備的電暈放電和內(nèi)部的局部放電 電力系統(tǒng)的載波通信和高頻保護(hù)信號(hào)對(duì)檢測(cè)的干擾 可控硅整流設(shè)備引起的干擾 無(wú)線電廣播的干擾 其他周期性干擾 上述干擾可能通過(guò)以下三種途徑進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)：（1）從檢測(cè)系統(tǒng)的工頻電源進(jìn)入，故檢測(cè)系統(tǒng)的電源宜

16、由隔離變壓器加上低通濾波器供電，以抑制這種干擾。（2）通過(guò)電磁耦合進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)，故檢測(cè)系統(tǒng)包括連線應(yīng)很好的屏蔽，或利用光電隔離和光纖傳輸信號(hào)，以減少干擾。（3）干擾信號(hào)通過(guò)傳感器進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)，這種干擾和局部放電信號(hào)混合在一起，上述方法不能抑制這種干擾，需要采用其他的措施。 抗干擾技術(shù) u選擇合適的檢測(cè)頻帶，避開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)的干擾頻帶 u差動(dòng)平衡系統(tǒng)：差動(dòng)平衡系統(tǒng)主要用于抑制共模干擾 u其他 圖610差動(dòng)平衡系統(tǒng)原理圖6.2.2 局部放電分析與故障診斷 局部放電信號(hào)分析是指如何從測(cè)試信號(hào)中提取有關(guān)放電的信息，一般采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，目前常用的方法主要有：時(shí)域分析頻域分析時(shí)頻聯(lián)合分析人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析 局

17、部放電信號(hào)分析 時(shí)域分析是最基本的數(shù)學(xué)分析方法，例如分析放電信號(hào)的幅值，幅值與時(shí)間（或相位）、放電次數(shù)的關(guān)系，并且在顯示設(shè)備上輸出信號(hào)的波形，為此需要根據(jù)波形的采集要求確定所需的采樣率和采集的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，并將信號(hào)完整地記錄下來(lái)。 頻域分析又稱頻譜分析，是分析某些放電特征在頻域上的變化，如幅度譜、相位譜、能量譜和功率譜等，目前最常用的方法是快速傅里葉變換（FFT）。 2.放電類型的模式識(shí)別 模式識(shí)別是一種重要的診斷手段，于90年代應(yīng)用于電力設(shè)備的放電識(shí)別，目前已被廣泛應(yīng)用于局部放電在線檢測(cè)與故障診斷。圖6 12 模式識(shí)別過(guò)程示意圖 變壓器絕緣體系中的放電類型很多，不同的放電類型對(duì)絕緣的破壞作用有很

18、大差異，因此有必要對(duì)各種放電類型加以區(qū)分。 變壓器超高頻局部放電的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別是將計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的電磁信號(hào)經(jīng)放大、濾波后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后把提取到的多個(gè)工頻周期的高頻（中心頻率在506-1000MHz之間可調(diào)）窄帶（帶寬5MHz）時(shí)域信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，作出各種譜圖，由此來(lái)分析變壓器的局部放電情況。 變壓器的局部放電情況 局部放電特征提取 變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中發(fā)生的局部放電類型主要有五種：油中尖板放電、紙或紙板內(nèi)部放電、油中氣泡放電、紙或紙板沿面放電和懸浮放電。 模式識(shí)別結(jié)果的正確與否關(guān)鍵在于放電信號(hào)特征的提取。 放電識(shí)別 選取合適的訓(xùn)練樣本集對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別能力十分重要。一定要合理挑選樣本，以使訓(xùn)練樣本能涵蓋全部樣本的變化范圍。 每種放電模型都有5個(gè)以上的樣品，這些