高電壓技術(shù)5-1

1、5.1工頻高電壓試驗(yàn)5.1.1 工頻高電壓的產(chǎn)生5.1.2 工頻高電壓的測(cè)量5.1.3 絕緣的工頻耐壓試驗(yàn)返回返回 高壓試驗(yàn)變壓器是高壓試驗(yàn)室最基本的、不可缺少的主要設(shè)備之一，它被當(dāng)作電源，并且是交流、直流和沖擊電壓試驗(yàn)設(shè)備的組成部分。高壓試驗(yàn)室中的工頻高電壓通常采用高壓試驗(yàn)變壓器或其串級(jí)裝置來(lái)產(chǎn)生，但對(duì)電容量較大的被試樣，可采用串聯(lián)諧振回路來(lái)獲得工頻高電壓。5.1.1 工頻高電壓的產(chǎn)生1. 高壓試驗(yàn)變壓器 高壓試驗(yàn)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(diǎn)通常與

2、外殼相連，這樣每個(gè)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(shí)，外殼應(yīng)當(dāng)按0.5Un對(duì)地絕緣起來(lái)。 試驗(yàn)變壓器一般作成單相的。高壓繞組大多數(shù)作成多層繞組，層間絕緣由電纜紙和絕緣材料制成的圓筒組成。 試驗(yàn)變壓器與電力變壓器相比主要特點(diǎn)：變比較大容量較小工作時(shí)間短 試驗(yàn)變壓器的容量由被測(cè)試樣在最不利的試驗(yàn)條件下需要的電流來(lái)確定。在特殊情況下，例如對(duì)于長(zhǎng)電纜的試驗(yàn)，變壓器必需的容量：Ps=U2C式中 U 試驗(yàn)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(shí)，繞組由幾個(gè)線圈串聯(lián)組

3、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筒進(jìn)行絕緣，每層線圈的匝數(shù)也隨電壓的升高而減少，并且遠(yuǎn)離鐵心部分。圖5-2 圓筒形繞組2. 試驗(yàn)變壓器串級(jí)裝置 由于受到體積和重量的限制，單個(gè)試驗(yàn)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(jí)線路把幾臺(tái)試驗(yàn)變壓器串接起來(lái)。數(shù)臺(tái)試驗(yàn)變壓器串級(jí)聯(lián)接的辦法就是將它們的高壓繞組串聯(lián)起來(lái)，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(tái)變壓器的絕緣要求和結(jié)構(gòu)可大大簡(jiǎn)化，減輕絕緣難度，降

4、低總價(jià)格。圖5-3 由單高壓套管變壓器元件組成的串級(jí)變壓器示意圖 圖5-3所示的串級(jí)方式稱為自耦式串級(jí)變壓器，這是目前最常用的串級(jí)方式。這里高一級(jí)的變壓器的勵(lì)磁電流由前面一級(jí)的變壓器來(lái)供給。圖中繞組1為低壓繞組，2為高壓繞組，3為供給下一級(jí)激磁用的串級(jí)激磁繞組。 雖然這時(shí)三臺(tái)變壓器的初級(jí)電壓相同(U1=U3)，次級(jí)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(jí)數(shù)為3，則整套串級(jí)裝置的制作容量為: P=P1+P2+P

5、3=6U2I2 (5-1) 串級(jí)裝置的輸出額定容量為 Pn=3 U2I2 (5-2)因而裝置的容量利用率為 =Pn/P=1/2 (5-3)同理推出n級(jí)串聯(lián)裝置的容量利用率為 (5-4)21n 顯然，串接臺(tái)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(yàn)變壓器的總漏抗值急劇增加，因此串級(jí)試驗(yàn)變壓器的串接數(shù)一般不超過(guò)3，這是串級(jí)裝置的固有缺點(diǎn)。 式中： n串級(jí)裝置的級(jí)數(shù)。3. 試驗(yàn)變壓器的調(diào)壓 試驗(yàn)變壓器的電壓必須從零調(diào)節(jié)到指定值，這是其運(yùn)行方式的特點(diǎn),要靠連到變壓器初級(jí)繞組電路中的調(diào)壓器來(lái)進(jìn)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(dòng)觸頭的調(diào)壓器中，不應(yīng)該發(fā)生火花

6、。(2) 調(diào)壓器應(yīng)在試驗(yàn)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(méi)有畸變。(3) 調(diào)壓器的容量應(yīng)不小于試驗(yàn)變壓器的容量。 調(diào)節(jié)電壓最好的設(shè)備是電動(dòng)發(fā)電機(jī)組，它由安裝在一個(gè)軸上的三相同步發(fā)電機(jī)和直流或交流電動(dòng)機(jī)組成，電壓的調(diào)節(jié)用改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁來(lái)實(shí)現(xiàn)。更簡(jiǎn)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(dòng)式繞組的變壓器或自耦變壓器形式，有的做成制動(dòng)的帶轉(zhuǎn)子繞組的異步電動(dòng)機(jī)形式（電位調(diào)整器）。 感應(yīng)調(diào)壓器的特點(diǎn)是調(diào)壓平穩(wěn)，并且沒(méi)有滑動(dòng)觸頭。采用了各種消除高次諧波的方法，例如在制動(dòng)電機(jī)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)

7、調(diào)壓器；但一般廣泛采用試驗(yàn)室類型自耦調(diào)壓器來(lái)進(jìn)行小容量試驗(yàn)設(shè)備的調(diào)壓。4. 串聯(lián)諧振電路 交流高壓可以通過(guò)由馬達(dá)帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)或電池供電的振蕩器產(chǎn)生，但是最常用的試驗(yàn)裝置是由110V或240V、50/60Hz的電源供電。固定的電源電壓供給一臺(tái)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(jí)升壓變壓器的原邊。 由于原邊電源電壓和變壓器勵(lì)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(yán)重畸變和增高。但是，若有意而又有效地利用諧振效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生交流試驗(yàn)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(jiǎn)化圖如5-4所示。圖中被測(cè)試樣如電纜用電容來(lái)代替與可動(dòng)線圈電抗器串聯(lián)。電抗器的電

8、感可以改變并與電源頻率下電容負(fù)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(lì)時(shí)將產(chǎn)生高壓。圖5-4串聯(lián)諧振電路簡(jiǎn)化圖 泰斯拉（Tesla）線圈是空心升壓變壓器。它有兩個(gè)電容器調(diào)諧的繞組，如圖5-5所示。當(dāng)火花間隙G1在預(yù)定的電壓值擊穿時(shí)，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(guò)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(dá)到1MV。因?yàn)樘┧估€

9、圈輸出電壓波形復(fù)雜，并且火花間隙還會(huì)輻射無(wú)線電干擾，所以偶爾才用于正常工頻運(yùn)行下的設(shè)備，一般主要用它來(lái)做通訊系統(tǒng)的高頻高壓試驗(yàn)。返回返回5.1.2 工頻高電壓的測(cè)量 試品上工頻高壓的測(cè)量目前最常用的測(cè)量方法有：用測(cè)量球隙或峰值電壓表測(cè)量交流電壓的峰值，用靜電電壓表測(cè)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(kuò)大儀表的量程）；為了觀察被測(cè)電壓的波形，也可從分壓器低壓側(cè)將輸出的被測(cè)信號(hào)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(lái)測(cè)量高電壓的方法，在高壓實(shí)驗(yàn)室中用得不多。特別在測(cè)量很高的電壓時(shí)，利用電壓互感器的方法既不經(jīng)濟(jì)，也不方便。由于高壓放電的分散性比

10、較大，一般對(duì)測(cè)量精度的要求不高。按現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（IEC）規(guī)定，無(wú)論是有效值或峰值，都要求誤差不超過(guò) 3 。 圖5-6是幾種工頻高壓測(cè)量方法的原理接線圖，實(shí)際測(cè)量時(shí)可采用其中的一種或幾種，從變壓器的初級(jí)（P1P2端）或由附加的測(cè)量繞組（P3P4端）測(cè)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(cè)量R1 R2一保護(hù)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(yàn)變壓器1. 用球間隙測(cè)量工頻高壓 測(cè)量球隙由一對(duì)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(shí)，球隙間的電場(chǎng)為稍不均

11、勻電場(chǎng)，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(chǎng)時(shí)，其擊穿電壓決定于球隙間的距離。球隙就是利用這個(gè)原理來(lái)測(cè)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(shí)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一高壓球的放電點(diǎn) R一球隙保護(hù)電阻 國(guó)際電工委員會(huì)在1960年制訂了在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量時(shí)的大氣條件不同于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件時(shí)，需要進(jìn)行校正。方法如下： U試驗(yàn)中大氣條件下的放電電壓UH 標(biāo)準(zhǔn)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

12、測(cè)量工頻電壓時(shí)，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(shí)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(duì)密度與修正系數(shù)Kr的關(guān)系空氣相對(duì)密度0.70.750.80.850.90.951.01.051.10修正系數(shù)ki0.720.770.810.860.910.951.01.051.092. 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(cè)量交流高壓，另一種是利用整流充電電壓測(cè)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(cè)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 利用整流電容電流測(cè)量交流

13、高壓 被測(cè)高壓u，當(dāng)其隨時(shí)間變化時(shí)，流過(guò)電容C的電流 當(dāng) 為正半波時(shí)，電流經(jīng)整流元件D1，及檢流計(jì)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(cè)電壓的峰值Um，有下述關(guān)系CfIUam2 (5-6)式中 C 電容器的電容量；f 被測(cè)電壓的頻率。dtduCicci(2) 利用電容器上整流充電電壓測(cè)量交流高壓 如圖5-8(b)所示，被測(cè)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(lái)測(cè)量。則電壓峰值RCTUUdm21 (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(cè)量電阻值。 當(dāng)加電壓于兩個(gè)特制的電極板時(shí)，由于兩

14、電極上分別充上異性電荷，電極就會(huì)受到靜電機(jī)械力的作用（如圖5-9)，測(cè)量此靜電力的表計(jì)稱為靜電電壓表。測(cè)量精度在 3以內(nèi)。3. 靜電電壓表圖5-9平板電極間的電場(chǎng)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(hù)電極的中央設(shè)有一個(gè)可動(dòng)圓板電極，可動(dòng)電極在靜電吸引力的作用下產(chǎn)生移動(dòng)，移動(dòng)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(diǎn)，但由于靜電力很小，摩擦?xí)斐蓽y(cè)量誤差。圖5-10 靜電電壓表 (5-8) 若有一對(duì)電極，電極間距離為l，電容為C，所加電壓瞬時(shí)值為u，則此電容的電場(chǎng)能量W為：221CuW 假定靜電電壓表的兩電極接在交流電源上，當(dāng)極板作無(wú)窮小的移動(dòng)

15、dl時(shí)，電場(chǎng)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： dldCudldWf221 (5-9)若u按正弦函數(shù)作周期性變化。即)sin(tuum (5-10)則在一個(gè)周期T內(nèi)，電極所受作用力的平均值FdldCUdldCUTUTdldCdtuTdldCtfdTFmmTT22202021)2(2121211211 (5-11)2232021072121lSUlSUFrr (5-13)上式中U,l ,S 的單位分別為kV,cm,cm2，由（5-13）得SFlUr41052.4 (5-14) 對(duì)于平行極板的情況下，由于極板間為均勻電場(chǎng)，則其電容lSCr0= 20lSdldCr (5

16、-12) 可見(jiàn)電場(chǎng)作用力與電壓平方成正比，所以它的偏轉(zhuǎn)方向與被測(cè)電壓的極性無(wú)關(guān)。因此，靜電電壓表既能測(cè)量直流又能測(cè)量交流電壓。所測(cè)為電壓有效值。 靜電電壓表的內(nèi)阻很高，因此在測(cè)量時(shí)幾乎不會(huì)改變被測(cè)試樣上的電壓；這是它的突出優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于電壓等級(jí)不太高的試驗(yàn)，使用它能很方便地在高壓端直接測(cè)出電壓。目前我國(guó)已研制成功測(cè)量范圍為0500kV的一系列靜電電壓表。4. 分壓器 在被測(cè)電壓高于200kV時(shí)，直接用指示儀表測(cè)量高壓比較困難，通常采用電容分壓器配用低壓儀表測(cè)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(guò)電容C1和C2的電流均為 ，兩電容

17、上的壓降分別為 和 ，這里 ，又ci1Cic2Cicf222Ciuc (5-15)(2121211CCCCiCiCiuccc (5-16)所以有 (5-17)221211KuuCCCu 使大部分電壓降在C1上，從而實(shí)現(xiàn)用低壓儀表測(cè)量高壓的目的。對(duì)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(cè)量準(zhǔn)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(duì)被測(cè)回路的影響。稱為分壓比。顯然只要 ，那么 ，21CC 12uu 121CCCK 電容分壓器中，要求C1的電容量很小，但又能承受很高的電壓。對(duì)電容分壓器中C2的要求是電容量較大而承受電壓較低，因此C2應(yīng)采用高穩(wěn)定度、低損耗、低

18、電感量的云母、空氣或聚苯乙烯介質(zhì)的電容器；電容量根據(jù)分壓比和低壓儀表的量程確定。 實(shí)際的電容分壓器有兩種主要形式：一種稱為分布式電容分壓器，它的高壓臂由多個(gè)電容器元件串聯(lián)組裝而成，要求每個(gè)元件盡可能為純電容，介質(zhì)損耗和電感盡可能小；另一種稱為集中式電容分壓器，它的高壓臂使用一個(gè)氣體介質(zhì)的高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器，氣體介質(zhì)常采用N,CO2,SF6及其混合氣體，目前我國(guó)已能生產(chǎn)1200kV的高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器。 交流高壓的測(cè)量有時(shí)也使用電阻分壓器，但由于對(duì)地雜散電容的作用，不但會(huì)引起幅值誤差，還會(huì)引起相位誤差。被測(cè)電壓越高，分壓器本體電阻值越大，對(duì)地雜散電容越大，引起的誤差也越大。因此電阻分壓器只適用于被測(cè)電壓

19、低于100kV的情況。返回返回5.1.3 絕緣的工頻耐壓試驗(yàn) 工頻交流耐壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度的最有效和最直接的方法。它可用來(lái)確定電氣設(shè)備絕緣耐受電壓的水平，判斷電氣設(shè)備能否繼續(xù)運(yùn)行，是避免其在運(yùn)行中發(fā)生絕緣事故的重要手段。工頻耐壓試驗(yàn)時(shí)，對(duì)電氣設(shè)備絕緣施加比工作電壓高得多的試驗(yàn)電壓，這些試驗(yàn)電壓反映了電氣設(shè)備的絕緣水平。耐壓試驗(yàn)?zāi)軌蛴行У匕l(fā)現(xiàn)導(dǎo)致絕緣抗電強(qiáng)度降低的各種缺陷。 工頻高壓試驗(yàn)的基本接線圖 以試驗(yàn)變壓器或其串級(jí)裝置作為主設(shè)備的工頻高壓試驗(yàn)（包括耐壓試驗(yàn)）的基本接線如圖5-12所示。試驗(yàn)變壓器的輸出電壓必須能在很大的范圍內(nèi)均勻地加以調(diào)節(jié)，所以它的低壓繞組應(yīng)由一調(diào)壓器來(lái)供電。圖5

20、-12 工頻高壓試驗(yàn)的基木接線圖AV一調(diào)壓器 PV1一低壓側(cè)電壓表 T一工頻高壓裝置R1一變壓器保護(hù)電阻 TO一被測(cè)試品 R2一測(cè)量球隙保護(hù)電阻PV2一高壓靜電電壓表 F一測(cè)量球隙 Lf一Cf一諧波濾波器 工頻耐壓試驗(yàn)的實(shí)施方法如下：按規(guī)定的升壓速度提升作用在被測(cè)試品TO上的電壓，直到等于所需的試驗(yàn)電壓U為止，這時(shí)開(kāi)始計(jì)算時(shí)間。為了讓有缺陷的試品絕緣來(lái)得及發(fā)展局部放電或完全擊穿，達(dá)到U后還要保持一段時(shí)間，一般取一分鐘就夠了。如果在此期間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)絕緣擊穿或局部損傷（可通過(guò)聲響、分解出氣體、冒煙、電壓表指針劇烈擺動(dòng)、電流表指示急劇增大等異?，F(xiàn)象作出判斷）的情況，即可認(rèn)為該試品的工頻耐壓試驗(yàn)合格通過(guò)。試驗(yàn)中常用的調(diào)壓供電裝置有下列幾種：自耦調(diào)壓器移卷調(diào)壓器感應(yīng)調(diào)壓器電動(dòng)一發(fā)電機(jī)組2. 試驗(yàn)中需注意的問(wèn) 防止工頻高壓試驗(yàn)中可能出現(xiàn)的過(guò)電壓 在工頻高壓試驗(yàn)中，大多數(shù)試品是電容性的。當(dāng)試驗(yàn)變壓器施加工頻高壓時(shí)，往往會(huì)在試品上產(chǎn)生“容升”效應(yīng)，也就是實(shí)際作用到試品上的電壓值會(huì)超過(guò)高壓側(cè)所應(yīng)輸出的電壓值。另外，對(duì)初級(jí)繞組突然加壓，而不是由零逐漸升高電壓。或者，當(dāng)輸出電壓較高時(shí)突然切斷電源，都有可能由于過(guò)渡過(guò)程而在試驗(yàn)回路