高電壓技術(shù)-第5章

1、第五章 電氣絕緣高電壓試驗電氣設(shè)備的絕緣在運行中除了長期受到工作電壓（工頻交流電壓或直流電壓）的作用外，還會受到各種過電壓的侵襲。為了檢驗電氣設(shè)備的絕緣強度，在出廠時、安裝調(diào)試時或大修后需要進行各種高電壓試驗。因此在高壓試驗室內(nèi)應(yīng)能模擬出這些試驗電壓，從而實現(xiàn)對電氣設(shè)備絕緣進行耐壓試驗以考驗各種絕緣耐受這些高電壓作用的能力。5.1 工頻高電壓試驗5.2 直流高電壓試驗5.3 沖擊高電壓試驗習(xí)題與思考題本章主要內(nèi)容：5.1工頻高電壓試驗5.1.1 工頻高電壓的產(chǎn)生5.1.2 工頻高電壓的測量5.1.3 絕緣的工頻耐壓試驗高壓試驗變壓器是高壓試驗室最基本的、不可缺少的主要設(shè)備之一，它被當(dāng)作電源，并

2、且是交流、直流和沖擊電壓試驗設(shè)備的組成部分。高壓試驗室中的工頻高電壓通常采用高壓試驗變壓器或其串級裝置來產(chǎn)生，但對電容量較大的被試樣，可采用串聯(lián)諧振回路來獲得工頻高電壓。5.1.1 工頻高電壓的產(chǎn)生1. 高壓試驗變壓器高壓試驗變壓器大多數(shù)為油浸式，有金屬殼及絕緣殼兩類。金屬殼變玉器又可分為單套管和雙套管兩種。單套管變壓器的高壓繞組一端接地，另一端（高壓端）經(jīng)高壓套管引出。雙套管變壓器高壓繞組的中點通常與外殼相連，這樣每個套管所承受的只是額定電壓Un的一半，因而可以減小套管的尺寸和重最。當(dāng)高壓繞組一端接地時，外殼應(yīng)當(dāng)按0.5Un對地絕緣起來。試驗變壓器一般作成單相的。高壓繞組大多數(shù)作成多層繞組，

3、層間絕緣由電纜紙和絕緣材料制成的圓筒組成。試驗變壓器與電力變壓器相比主要特點：變比較大容量較小工作時間短試驗變壓器的容量由被測試樣在最不利的試驗條件下需要的電流來確定。在特殊情況下，例如對于長電纜的試驗，變壓器必需的容量：式中Ps=U2CU 試驗電壓，kV；C 試樣電容， F；Ps 變壓器容量，VA。變壓器繞組方式：（1）圓盤形繞組如圖5-1所示，輸出電壓在幾十千伏以下時，繞組由幾個線圈串聯(lián)組成。圖5-1圓盤形繞組（2）圓筒形繞組結(jié)構(gòu)如圖5-2所示，低壓繞組內(nèi)側(cè)與鐵心相連，高壓繞組同軸地套在低壓繞組的外側(cè)，內(nèi)側(cè)接地，外側(cè)為高壓輸出。高壓繞組的電壓由內(nèi)側(cè)至外側(cè)逐層升高，各層間采用與線圈同軸的絕緣

4、筒進行絕緣，每層線圈的匝數(shù)也隨電壓的升高而減少，并且遠離鐵心部分。圖5-2 圓筒形繞組2. 試驗變壓器串級裝置由于受到體積和重量的限制，單個試驗變壓器的額定電壓不可能做得太高。當(dāng)所需工頻電壓很高往往采用串級線路把幾臺試驗變壓器串接起來。數(shù)臺試驗變壓器串級聯(lián)接的辦法就是將它們的高壓繞組串聯(lián)起來，使它們的高壓側(cè)電壓疊加后得到很高的輸出電壓，而每臺變壓器的絕緣要求和結(jié)構(gòu)可大大簡化，減輕絕緣難度，降低總價格。圖5-3 由單高壓套管變壓器元件組成的串級變壓器示意圖圖5-3所示的串級方式稱為自耦式串級變壓器，這是目前最常用的串級方式。這里高一級的變壓器的勵磁電流由前面一級的變壓器來供給。圖中繞組1為低壓繞

5、組，2為高壓繞組，3為供給下一級激磁用的串級激磁繞組。雖然這時三臺變壓器的初級電壓相同(U1=U3)，次級電壓也相同（均為U2），但它們的容量和高壓繞組結(jié)構(gòu)都不同，因此不能互換位置。設(shè)該裝置T3容量為：P3=U2I2=U1I1；T2的容量：P2=U1I1=U2I2+U3I3=2U2I2；T1的容量為：P1=3U2I2所以當(dāng)串聯(lián)級數(shù)為3，則整套串級裝置的制作容量為:P=P1+P2+P3=6U2I2串級裝置的輸出額定容量為Pn=3 U2I2(5-1)(5-2)因而裝置的容量利用率為(5-3)(5-4)=Pn/P=1/2同理推出n級串聯(lián)裝置的容量利用率為 =2n + 1式中： n串級裝置的級數(shù)。顯然

6、，串接臺數(shù)越多，裝置利用系數(shù)越低，且隨著串接數(shù)的增加，整套串接試驗變壓器的總漏抗值急劇增加，因此串級試驗變壓器的串接數(shù)一般不超過3，這是串級裝置的固有缺點。3. 試驗變壓器的調(diào)壓試驗變壓器的電壓必須從零調(diào)節(jié)到指定值，這是其運行方式的特點,要靠連到變壓器初級繞組電路中的調(diào)壓器來進行。調(diào)壓器應(yīng)該滿足以下基本要求：(1)電壓應(yīng)該平滑地調(diào)節(jié)，在有滑動觸頭的調(diào)壓器中，不應(yīng)該發(fā)生火花。(2) 調(diào)壓器應(yīng)在試驗變壓器的輸入端提供從零到額定值的電壓，電壓具有正弦波形且沒有畸變。(3) 調(diào)壓器的容量應(yīng)不小于試驗變壓器的容量。調(diào)節(jié)電壓最好的設(shè)備是電動發(fā)電機組，它由安裝在一個軸上的三相同步發(fā)電機和直流或交流電動機組成

7、，電壓的調(diào)節(jié)用改變發(fā)電機的勵磁來實現(xiàn)。更簡單和便宜的調(diào)壓設(shè)備是感應(yīng)調(diào)壓器，它們有的做成帶移動式繞組的變壓器或自耦變壓器形式，有的做成制動的帶轉(zhuǎn)子繞組的異步電動機形式（電位調(diào)整器）。感應(yīng)調(diào)壓器的特點是調(diào)壓平穩(wěn)，并且沒有滑動觸頭。采用了各種消除高次諧波的方法，例如在制動電機的定子和轉(zhuǎn)子上安置“斜”槽，以保證被調(diào)節(jié)的電壓具有接近正弦的波形。目前，已生產(chǎn)出了多種不同容量的感應(yīng)調(diào)壓器；但一般廣泛采用試驗室類型自耦調(diào)壓器來進行小容量試驗設(shè)備的調(diào)壓。4. 串聯(lián)諧振電路交流高壓可以通過由馬達帶動的發(fā)電機或電池供電的振蕩器產(chǎn)生，但是最常用的試驗裝置是由110V或240V、50/60Hz的電源供電。固定的電源電壓

8、供給一臺可調(diào)節(jié)的調(diào)壓器，調(diào)壓器再把調(diào)節(jié)了的電壓供給單級升壓變壓器的原邊。由于原邊電源電壓和變壓器勵磁電流中的諧波可能激發(fā)不同頻率的固有振蕩，從而導(dǎo)致變壓器付邊電壓波形的嚴重畸變和增高。但是，若有意而又有效地利用諧振效應(yīng)來產(chǎn)生交流試驗高壓，此高壓不含有不需要的其它諧波。串聯(lián)諧振電路的簡化圖如5-4所示。圖中被測試樣如電纜用電容來代替與可動線圈電抗器串聯(lián)。電抗器的電感可以改變并與電源頻率下電容負荷的阻抗相匹配。這樣構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路在受到與電網(wǎng)相連的調(diào)壓器的激勵時將產(chǎn)生高壓。圖5-4串聯(lián)諧振電路簡化圖泰斯拉（Tesla）線圈是空心升壓變壓器。它有兩個電容器調(diào)諧的繞組，如圖5-5所示。當(dāng)火花間隙G1

9、在預(yù)定的電壓值擊穿時，由L1和C1組成的原邊調(diào)諧電路將閉合。產(chǎn)生高頻衰減振蕩，其頻率一般在104105Hz。圖5-5泰斯拉（Tesla）線圈電路圖在原邊電路中的振蕩電流將在副邊調(diào)諧電路L2C2中感應(yīng)振蕩。這樣，此過程每重復(fù)一次，原邊火花間隙就閃絡(luò)一次；因此，供給電路的電源可以是交流，也可以是直流，如果原邊輸入幾千伏的電壓，輸出電壓能夠達到1MV。因為泰斯拉線圈輸出電壓波形復(fù)雜，并且火花間隙還會輻射無線電干擾，所以偶爾才用于正常工頻運行下的設(shè)備，一般主要用它來做通訊系統(tǒng)的高頻高壓試驗。5.1.2 工頻高電壓的測量試品上工頻高壓的測量目前最常用的測量方法有：用測量球隙或峰值電壓表測量交流電壓的峰值

10、，用靜電電壓表測量交流電壓的有效值（峰值電壓表和靜電電壓表還常與分壓器配合使用以擴大儀表的量程）；為了觀察被測電壓的波形，也可從分壓器低壓側(cè)將輸出的被測信號送至示波器顯示波形。在電力系統(tǒng)中通常使用電壓互感器配合低壓儀表來測量高電壓的方法，在高壓實驗室中用得不多。特別在測量很高的電壓時，利用電壓互感器的方法既不經(jīng)濟，也不方便。由于高壓放電的分散性比較大，一般對測量精度的要求不高。按現(xiàn)行的國家標準和國際標準（IEC）規(guī)定，無論是有效值或峰值，都要求誤差不超過 3 。圖5-6是幾種工頻高壓測量方法的原理接線圖，實際測量時可采用其中的一種或幾種，從變壓器的初級（P1P2端）或由附加的測量繞組（P3P4

11、端）測得電壓值再乘上變壓比，從而求得高壓側(cè)輸出電壓值是最便捷的方法，但誤差通常較大，常起輔助指示作用。圖5-6工頻高壓的測量R1 R2一保護電阻 V.D.一分壓器 T.O.一試樣S.V.一靜電電壓 Q 一球隙 T 一高壓試驗變壓器1. 用球間隙測量工頻高壓測量球隙由一對相同直徑的金屬球構(gòu)成。當(dāng)球隙距離d與直徑D之比不大時，球隙間的電場為稍不均勻電場，由氣體放電的理論可知，當(dāng)電壓加于球隙間形成稍不均勻電場時，其擊穿電壓決定于球隙間的距離。球隙就是利用這個原理來測量各種類型高電壓的。直徑更大的球隙則使用垂直式裝置（如圖5-7）。使用時下球極接地，上球極接高壓。圖5-7 垂直球隙及應(yīng)保證的尺寸P一高

12、壓球的放電點R一球隙保護電阻國際電工委員會在1960年制訂了在標準大氣條件下標準球隙的距離與工頻放電電壓（峰值）的關(guān)系表（GB311-83）。其誤差不大于3%，當(dāng)測量時的大氣條件不同于標準大氣條件時，需要進行校正。方法如下：U試驗中大氣條件下的放電電壓UH標準大氣條件下的放電電壓Kr修正系數(shù)，可由表5-1查得U=KrUH用球隙測量工頻電壓時，應(yīng)取連續(xù)三次擊穿電壓的平均值，相鄰兩次擊穿間隔時間一般不小于lmin，各次擊穿電壓與平均值之間的偏差不大于3%。表5.1 空氣相對密度與修正系數(shù)Kr的關(guān)系空氣相對密度修正系數(shù)ki0.70.720.750.770.80.810.850.860.90.910.

13、950.951.01.01.051.051.101.092. 峰值電壓表峰值電壓表的制成原理通常有兩種，一種是利用整流電容電流測量交流高壓，另一種是利用整流充電電壓測量交流高壓，其原理如圖5-8所示。圖5-8峰值電壓表的原理(a)利用電容電流測電壓峰值的接線(b)利用電容器C上的整流充電電壓側(cè)峰值關(guān)系Ia2CfUm =(5-6)式中C 電容器的電容量；f 被測電壓的頻率。(1)利用整流電容電流測量交流高壓被測高壓u，當(dāng)其隨時間變化時，流過電容C的 電流ic=Cdu/dt，當(dāng)ic為正半波時，電流經(jīng)整流元件D1 及檢流計G流人地中（如圖5-8(a)，若流經(jīng)G的電流平均值為Ia。則它與被測電壓的峰值

14、Um，有下述1(2) 利用電容器上整流充電電壓測量交流高壓如圖5-8(b)所示，被測交流電壓經(jīng)整流管D使電容充電至交流電壓的幅值，電容電壓由靜電電壓表或微安表串聯(lián)電阻來測量。則電壓峰值U dT2RCU m =(5-7)式中T 交流電壓的周期；Ud一電壓 ；C 一電容器的電容量；R測量電阻值。9)，測量此靜電力的表計稱為靜電電壓表。測量精度在 3以內(nèi)。3.靜電電壓表當(dāng)加電壓于兩個特制的電極板時，由于兩電極上分別充上異性電荷，電極就會受到靜電機械力的作用（如圖5-圖5-9平板電極間的電場和靜力吸力靜電電壓表的典型結(jié)構(gòu)如圖5-10所示，保護電極的中央設(shè)有一個可動圓板電極，可動電極在靜電吸引力的作用下

15、產(chǎn)生移動，移動量經(jīng)放大后，由指針讀出。該裝置具有耗電量小、波形和電壓頻率引起的誤差小等優(yōu)點，但由于靜電力很小，摩擦?xí)斐蓽y量誤差。圖5-10 靜電電壓表1 2 dC(5-8)若有一對電極，電極間距離為l，電容為C，所加電壓瞬時值為u，則此電容的電場能量W為：212CuW =假定靜電電壓表的兩電極接在交流電源上，當(dāng)極板作無窮小的移動 dl時，電場能量將發(fā)生變化dW，兩值必然相等，故電極所受到的作用力可表示為：udWdl2 dl=f =(5-9)若u按正弦函數(shù)作周期性變化。即(5-10)則在一個周期T內(nèi)，電極所受作用力的平均值F(5-11)u = um sin(t + )dldCUdldCUTUT

16、dldCdtuTdldCfdtTFmmTT22202021)2(2121211211= 1 2 S0rF = U2l721032U2 rSl21=(5-13)上式中U,l ,S 的單位分別為kV,cm,cm2，由（5-13）得F 1044.52 rSU = l(5-14)對于平行極板的情況下，由于極板間為均勻電場，則其電容S0 rlC =dCdl(5-12)S0rl2可見電場作用力與電壓平方成正比，所以它的偏轉(zhuǎn)方向與被測電壓的極性無關(guān)。因此，靜電電壓表既能測量直流又能測量交流電壓。所測為電壓有效值。靜電電壓表的內(nèi)阻很高，因此在測量時幾乎不會改變被測試樣上的電壓；這是它的突出優(yōu)點。對于電壓等級不

17、太高的試驗，使用它能很方便地在高壓端直接測出電壓。目前我國已研制成功測量范圍為0500kV的一系列靜電電壓表。4. 分壓器在被測電壓高于200kV時，直接用指示儀表測量高壓比較困難，通常采用電容分壓器配用低壓儀表測量高壓。其原理如圖5-11。圖5-11 交流電容分壓器 C1 、C2分別為高、低壓臂。在工頻電壓作用下，流過電容C1和C2的電流均為ic，兩電容上的壓降分別為 和 ，這里 =2 f，又(5-15)(5-16)所以有(5-17) icC1 icC222Ciuc=)(2121211CCCCiCiCiuccc+=+=221211KuuCCCu=+=使大部分電壓降在C1上，從而實現(xiàn)用低壓儀表

18、測量高壓的目的。對于分壓器，要求K是常數(shù)，不應(yīng)隨外界因素的改變而變化，或者變化滿足測量準確度的要求。此外，分壓器本身的電抗應(yīng)足夠大以盡可能減小對被測回路的影響。1稱為分壓比。顯然只要C C2，那么u21，則U到紋波電壓。5.2.3 絕緣的直流耐壓試驗直流高壓能反映設(shè)備受潮、劣化和局部缺陷等多方面的問題。它和交流耐壓試驗相比主要有以下一些特點：（1）試驗設(shè)備可以做得比較輕巧，適合于現(xiàn)場預(yù)防性試驗的要求。（2）在試驗時可以同時測量泄漏電流。（3）直流耐壓試驗比之交流耐壓試驗更能發(fā)現(xiàn)電機端部的絕緣缺陷。（4）在直流高壓下，局部放電較弱。（本節(jié)完）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

19、和串級直流發(fā)生器。6種直流工頻高電壓的測量方法。利用直流高壓對電器設(shè)備進行耐壓試驗有重 要的實際意義，并隨著直流輸電系統(tǒng)的應(yīng)用 將會有更大的發(fā)展。5.3 沖擊高電壓試驗5.3.1 沖擊高電壓的產(chǎn)生5.3.2 沖擊高電壓的測量5.3.3 絕緣的沖擊耐壓試驗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.基本回路標準雷電沖擊全波采用的是非周期性雙指數(shù)波。)t2t1eu(t) = A(e1波尾時間常數(shù)2波前時間常數(shù))t 2t1 eu(t) = A ( e圖5-23(a) 雙指數(shù)函數(shù)沖擊電壓波)t2u(t) A(1et1

20、u(t) Ae波尾，波前，圖5-24(a)可獲得沖擊電壓波前的回路圖5-24(b)可獲得沖擊電壓波尾的回路實際沖擊電壓發(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)U 2mU0R2R11 + R2C1C1 +C2 =3.多級沖擊電壓發(fā)生器單級沖擊電壓發(fā)生器能產(chǎn)生的最高電壓一般不超過 200300kV。因而采用多級疊加的方法來產(chǎn)生波形和幅值都能滿 足需要的沖擊高電壓波。多級沖擊電壓發(fā)生器原理接線圖:圖5-27多級沖擊電壓發(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)生器充電過程等值電路圖5-29沖擊電壓發(fā)生器放電過程等值電路沖擊電壓發(fā)生器的

21、起動方式：的水平上，處于準備動作的狀態(tài)，然后利用點火裝置產(chǎn)生一點火脈沖，送到點火球隙F1中的一個輔助間隙上使之擊穿并引起F1的主間隙擊穿,起動整套裝置。自起動方式：只要將點火球隙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 UC ，當(dāng)F1上的電壓上升到等于UC時，F(xiàn)1即自行擊穿，起動整套裝置。方式二：使各級電容器充電到一個略低于F1擊穿電壓5.3.2 沖擊高電壓的測量目前最常用的測量沖擊電壓的方法有：分壓器-示波器；測量球隙；分壓器-峰值電壓表。球隙和峰值電壓表只能測量電壓峰值，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間的變化過程。1. 分壓器與數(shù)字記錄儀（示波器）圖5-30沖擊電壓測量系統(tǒng)由于可同時測定波形和峰值，所以在測量中被廣泛使用。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)成沖擊電壓測量系統(tǒng)來進行測量，如圖5-30所示。2. 標準球間隙(1) 多級法 以預(yù)期的50%放電電壓的23%作為電壓級差，對被測試品分級施加沖擊電壓，每級施加電壓10次。至少要加4級電壓。要求在最低一級電壓時的放電次數(shù)近于零，而在最高一級電壓時，近于全部放電。求出每級電壓下的放電次數(shù)與施加次數(shù)之比P（即放電頻率）后，將其按電壓值標于正態(tài)概率紙上，給出擬合直線P=f(U)，