第7章電氣設(shè)備絕緣的高電壓試驗(yàn)

會(huì)計(jì)學(xué)1第7章電氣設(shè)備絕緣的高電壓試驗(yàn)高電壓工程基礎(chǔ)工頻電壓的產(chǎn)生1.工頻高壓試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的要求T.O.QBTR1R2工頻高壓試驗(yàn)的一般線路圖調(diào)壓器試驗(yàn)變壓器保護(hù)電阻（保護(hù)球隙）保護(hù)電阻（限流限壓）球間隙被試品第1頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)工頻試驗(yàn)變壓器的特點(diǎn)：（1）電壓由于工頻高壓試驗(yàn)通常用于代替雷電過電壓或者內(nèi)部過電壓來考核電氣產(chǎn)品絕緣性能，或進(jìn)行絕緣擊穿試驗(yàn)，因此試驗(yàn)變壓器電壓很高；（2）調(diào)壓與波形電壓波形應(yīng)該是正負(fù)半波對(duì)稱的正弦波形，頻率在45~55Hz范圍內(nèi)，電壓的有效值等于幅值除以波頂系數(shù)。對(duì)于調(diào)壓裝置，應(yīng)能夠按所要求的速度連續(xù)、平穩(wěn)地調(diào)節(jié)電壓。（3）容量在大部分高壓試驗(yàn)里，試驗(yàn)變壓器的連續(xù)工作時(shí)間不長，而在額定電壓下滿載運(yùn)行的時(shí)間更少，這比長期處于滿載下工作的電力變壓器的運(yùn)行情況要好得多。試驗(yàn)變壓器的容量不大，所以設(shè)計(jì)時(shí)采用較小的安全系數(shù)，在額定電壓下只能作短時(shí)運(yùn)行，對(duì)特高壓的試驗(yàn)變壓器，只有在2/3的額定電壓下才能長期運(yùn)行。第2頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)2.串級(jí)試驗(yàn)變壓器

2U2

U2

T3

21

3

21T2

3

2

1T1

3U2輸出的額定電流：I2（A）每一級(jí)變壓器高壓側(cè)繞組的額定電壓：U2（kV）裝置輸出的額定電壓：3U2第3頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)3.調(diào)壓裝置（1）對(duì)調(diào)壓裝置的要求a）輸出電壓質(zhì)量好要求調(diào)壓器輸出電壓波形應(yīng)盡量接近正弦波；輸出電壓下限最好為零。b）調(diào)壓特性好要求調(diào)壓器阻抗不宜過大；調(diào)壓特性曲線平滑線性；調(diào)節(jié)方便、可靠。（2）常用的調(diào)壓裝置a）自耦式調(diào)壓裝置；b）移圈式調(diào)壓器；c）感應(yīng)調(diào)壓器第4頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)串聯(lián)諧振交流高壓的產(chǎn)生CRL串聯(lián)諧振裝置的等效電路串聯(lián)諧振方法的優(yōu)點(diǎn)：1）試驗(yàn)回路對(duì)基波頻率產(chǎn)生諧振，因而波形的畸變??；2）被試品發(fā)生擊穿時(shí)諧振條件被破壞，串聯(lián)電抗器限制短路電流，故絕緣擊穿處的電弧不會(huì)將故障點(diǎn)擴(kuò)大。第5頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)調(diào)頻調(diào)壓電源50Hz電源反饋控制信號(hào)激勵(lì)變壓器電抗器分壓器被試品變頻串聯(lián)諧振裝置的原理框圖

交流兩相或三相工頻電源，經(jīng)變頻控制單元輸出30~300Hz頻率可調(diào)的交流電壓，勵(lì)磁變壓器升壓，諧振電抗器L和被試品Cx構(gòu)成高壓諧振電路來產(chǎn)生交流高壓。電容分壓器是純電容式的，用來測(cè)量試驗(yàn)電壓。系統(tǒng)的頻率取決于回路的L-C參數(shù)。當(dāng)負(fù)載電容Cx的變化范圍很大時(shí)，可以根據(jù)Cx的大小，適當(dāng)調(diào)整電抗器的電感L值，使諧振頻率固定在規(guī)定要求范圍內(nèi)。第6頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)交流高壓試驗(yàn)1）防止工頻高壓試驗(yàn)中可能出現(xiàn)的過電壓原因：“容升”效應(yīng)、對(duì)初級(jí)繞組突然加壓、當(dāng)輸出電壓較高時(shí)突然切斷電源等；防止措施：在變壓器出線端與被試品之間串接一適當(dāng)阻值的保護(hù)電阻（按0.1/V選取阻值）2）試驗(yàn)電壓的波形畸變?cè)颍鹤儔浩骰蛘{(diào)壓裝置的鐵芯工作在在磁化曲線的飽和段，或當(dāng)變壓器和調(diào)壓器存在漏抗；措施：在試驗(yàn)變壓器原邊繞組并聯(lián)一個(gè)L-C串聯(lián)諧振回路。u1CLCLTu1第7頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)3）外施電壓試驗(yàn)和感應(yīng)高壓試驗(yàn)對(duì)于帶繞組的被試品，用外施電壓對(duì)其主絕緣作工頻高壓試驗(yàn)時(shí)，首先應(yīng)將各繞組的首尾短接，然后，根據(jù)不同要求做其它接線，這樣能防止電容電流流過勵(lì)磁感抗造成不允許的電壓升高。有些電氣設(shè)備繞組絕緣是分級(jí)的，繞組的各不同部位應(yīng)該耐受和能夠耐受的試驗(yàn)電壓當(dāng)然也就不同。另外，外施電壓法對(duì)繞組的縱絕緣和相間絕緣也難于進(jìn)行試驗(yàn)。解決這個(gè)問題的辦法就是感應(yīng)高壓試驗(yàn)，即在其低壓繞組上加足夠高的電壓，使中壓繞組、高壓繞組感應(yīng)出所需的試驗(yàn)電壓來。第8頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)7.2直流高電壓試驗(yàn)（1）直流高壓試驗(yàn)設(shè)備1）測(cè)量泄漏電流；2）直流耐壓試驗(yàn)（一些大容量的交流設(shè)備，如油紙絕緣電力電纜，也常用來代替交流耐壓試驗(yàn)；高壓直流輸電設(shè)備耐壓試驗(yàn)）；3）沖擊電壓發(fā)生器和沖擊電流發(fā)生器等的直流高壓電源。（2）對(duì)直流電源的要求直流電壓的特性由極性、平均值、脈動(dòng)等來表示。高壓試驗(yàn)的直流電源在提供負(fù)載電流時(shí)，脈動(dòng)電壓要非常小，即直流電源必須具有一定的負(fù)載能力。第9頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)直流高電壓的產(chǎn)生1.半波整流回路和直流高壓設(shè)備的基本參數(shù)T---工頻室驗(yàn)變壓器C---濾波電容器D---整流元件(高壓硅堆)R---保護(hù)電阻Umax、Umin、Ud---試品輸出直流電壓的最大值、最小值、算術(shù)平方值TDRCRxutTUminUmaxUT半波整流電路及輸出電壓波形圖（1）半波整流回路第10頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)（2）直流高壓試驗(yàn)設(shè)備的基本技術(shù)參數(shù)1）輸出的額定直流電壓（算術(shù)平均值）Ud2）相應(yīng)的額定直流電流（平均值）Id3）電壓脈動(dòng)系數(shù)（亦稱紋波系數(shù)）

S對(duì)于半波整流電路第11頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)2.倍壓整流回路CCT倍壓電路1230C1常用倍壓電路C2

此電路可看作兩個(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。變壓器A點(diǎn)對(duì)地絕緣為2UT，而點(diǎn)A’為UT。輸出電壓為2UT。工作原理：1）當(dāng)電源為負(fù)時(shí)，硅堆D1截止，D2導(dǎo)通，電源經(jīng)D2、R對(duì)電容C1充電，C1最高充電電壓可達(dá)UTm；2）當(dāng)電源電壓升高時(shí)，1點(diǎn)電位也抬高，D2截止，D1導(dǎo)通，電源經(jīng)C1向C2充電，2點(diǎn)電位逐漸升高。第12頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)直流高電壓的試驗(yàn)（1）直流高壓試驗(yàn)要根據(jù)不同試品、不同的試驗(yàn)要求選擇合適的電源容量。

一般情況下，直流高壓試驗(yàn)所需的試驗(yàn)電流通常在幾mA到幾十mA，但是某些試品在擊穿前瞬時(shí)泄漏電流還是很大，將達(dá)到安培級(jí)。這樣大的泄漏電流將使設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生很大壓降而使試驗(yàn)結(jié)果不正確。（2）保護(hù)電路當(dāng)試品放電，或者發(fā)生器輸出端可能發(fā)生對(duì)地短路時(shí)，為了限制電容器柱的放電電流和流經(jīng)高壓硅的電流，需在試品與高壓輸出端之間串接一保護(hù)電阻。1.直流高電壓試驗(yàn)注意事項(xiàng)第13頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)(1)

試驗(yàn)設(shè)備的容量較小。特別是采用電力電子變換的高頻電源后，整套直流耐壓試驗(yàn)裝置的體積、重量大大減小，便于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)；(2)在試驗(yàn)時(shí)可以同時(shí)測(cè)量泄漏電流，能有效地顯示絕緣內(nèi)部的集中性缺陷或受潮，提供有關(guān)絕緣狀態(tài)的補(bǔ)充信息；(3)在某種程度上帶有非破壞性試驗(yàn)的性質(zhì)，在直流高壓下，局部放電較弱，不會(huì)加快有機(jī)絕緣材料分解或老化；(4)對(duì)交流電氣設(shè)備絕緣的考驗(yàn)不如交流試驗(yàn)?zāi)菢咏咏鼘?shí)際情況。對(duì)于絕大多數(shù)組合絕緣來說，它們?cè)谥绷麟妷合碌碾姎鈴?qiáng)度遠(yuǎn)高于交流電壓下的電氣強(qiáng)度，因而交流電氣設(shè)備的直流耐壓試驗(yàn)必須提高試驗(yàn)電壓，才能具有等效性。2.直流高電壓試驗(yàn)的特點(diǎn)第14頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)7.3沖擊電壓試驗(yàn)沖擊電壓：（雷電沖擊電壓、操作沖擊電壓）持續(xù)短、電壓上升速度快，緩慢下降的暫態(tài)電壓。由波頭時(shí)間、波尾時(shí)間、峰值和極性來表示。POO’TfCFTttUxyz標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊的定義：Tx為30%~90%峰值間所測(cè)得的時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓：1.2/50[s]標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓：250/2500[s]第15頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)沖擊電壓發(fā)生器與參數(shù)計(jì)算1.沖擊電壓產(chǎn)生的基本原理_+RfRtC2C1U0u2(t)Rd_+RfRtC2C1u2(t)U0LRf_+RtC2C1U0u2(t)(a)典型等效電路(b)考慮回路電感的等效電路(c)高效回路的等效原理：（1）充電過程：C1向C2充電，建立電壓，形成波頭；（2）放電過程：當(dāng)C1、C2上的電壓相等時(shí)，并聯(lián)對(duì)Rt放電，形成波尾。主電容試品等電容波頭電阻波尾電阻第16頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)RRRR多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器RfRtATT（1）充電過程：由試驗(yàn)變壓器T和高壓硅堆D構(gòu)成的整流電源，以峰值電壓經(jīng)保護(hù)電阻及充電電阻向主電容充電。（2）放電過程：當(dāng)需要啟動(dòng)沖擊電壓發(fā)生器時(shí)，可向點(diǎn)火球隙的針極送去一脈沖電壓，針極和球表面之間產(chǎn)生火花放電，引起點(diǎn)火球隙放電，各球隙相繼放電，將電容器串聯(lián)起來，對(duì)試品放電。“電容器并聯(lián)充電，串聯(lián)放電”，這一過程由一組球隙來完成。第17頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)RRRrDCCCCT沖擊電壓發(fā)生器的單邊充電回路RRRrDDRRRRCCCCCCCCT沖擊電壓發(fā)生器的雙邊充電回路第18頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)2.沖擊電壓發(fā)生器放電回路的近似計(jì)算（1）波前時(shí)間的確定第19頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)（2）半峰值時(shí)間的確定（3）沖擊電壓發(fā)生器的效率第20頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)

截?cái)嗖ǖ漠a(chǎn)生方法

變壓器類設(shè)備應(yīng)作雷電沖擊截?cái)嗖ㄔ囼?yàn)，以模擬絕緣子閃絡(luò)或避雷器動(dòng)作時(shí)所形成的截?cái)嗖?。產(chǎn)生截?cái)嗖ǖ脑恚簩⒁唤財(cái)嚅g隙與被試品并聯(lián)，調(diào)節(jié)間隙距離使之具有所需的擊穿電壓；沖擊電壓發(fā)生器送出一全波，由于截?cái)嚅g隙的擊穿，作用在被試品上的電壓就是截?cái)嗖ā?/p>

目前多采用可控截?cái)嚯娐穪砜刂平財(cái)鄷r(shí)間，截?cái)嚅g隙采用針孔球隙。觸發(fā)脈沖導(dǎo)致間隙G1放電后，間隙G2上將承受全部電壓，同時(shí)，R3上電流流過形成壓降，S2處出現(xiàn)觸發(fā)火花，導(dǎo)致G2放電，形成截?cái)?。?1頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)7.4穩(wěn)態(tài)高電壓的測(cè)量高壓測(cè)量系統(tǒng)：轉(zhuǎn)換裝置、至試品間的引線、接地連線、低壓測(cè)量回路、測(cè)量儀表等對(duì)測(cè)量結(jié)果的要求：（1）交流電壓的測(cè)量，要求蜂值或有效值時(shí)的總不確定度在3％之內(nèi)；（2）直流電壓的測(cè)量，要求電壓算術(shù)平均值時(shí)的總不確定度不超過3%，直流電壓的紋波幅值總不確定度不超過10%，或脈動(dòng)系數(shù)測(cè)量的不確定度應(yīng)小于1%。穩(wěn)態(tài)高電壓：工頻交流高壓、直流高壓第22頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)①利用氣體放電測(cè)量交流高電壓，例如測(cè)量球隙。②利用靜電力測(cè)量高電壓，例如靜電電壓表。③利用整流電容電流或充電電壓來測(cè)量高電壓，例如峰值電壓表。④利用分壓器測(cè)量高電壓，如電容分壓器和電阻分壓器。實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量穩(wěn)態(tài)高壓常用的方法：第23頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)

氣體放電間隙1.球間隙垂直型標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球隙（1）間隙距離不超過球徑的1/2，可保證測(cè)量的不確定度在3%以內(nèi)。用球隙測(cè)量工頻電壓時(shí)，應(yīng)取連續(xù)三次擊穿電壓的平均值，相鄰兩次間隔時(shí)間不小于1min，擊穿電壓與平均值之間的偏差不大于3%。（2）當(dāng)球隙距離不大于0.4D時(shí)，其測(cè)量不確定度在5%以內(nèi)。（3）球間隙測(cè)量電壓時(shí)，必須進(jìn)行大氣條件的修正。（4）測(cè)量時(shí)必須放電，容易引起過電壓而造成被試品不必要的損傷。（5）測(cè)量時(shí)較費(fèi)時(shí)間，所需的空間越大。第24頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)2.棒間隙

用球間隙測(cè)量直流電壓時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大的分散性，因此，IEC規(guī)定中，推薦使用左圖的棒間隙。標(biāo)準(zhǔn)棒間隙測(cè)量直流電壓時(shí)，其測(cè)量不準(zhǔn)確度在±3%以內(nèi)，測(cè)量方法與球間隙一樣。

棒間隙直接測(cè)量直流電壓時(shí)也非常費(fèi)時(shí)，一般用于求取直流高壓輸出值與直流發(fā)生器低壓側(cè)的儀表讀數(shù)間的比例關(guān)系。

標(biāo)況下，正、負(fù)極性的直流電壓下，棒間隙10次放電電壓的平均值為：第25頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)Sfl

靜電電壓表原理：分別帶正、負(fù)電荷的導(dǎo)體間存在著靜電吸引力，吸引力的大小與兩導(dǎo)體間的電位差的平方成正比，測(cè)量此靜電力的大小或是由靜電力產(chǎn)生的某一極板的位移（或偏轉(zhuǎn)）從而反映所加電壓大小。第26頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)

利用高壓電容器的測(cè)量方法1.電容器電流整流法測(cè)量交流峰值電容器電流整流法

與耦合電容器類似，利用靜電容量大的電容器，可用交流電流計(jì)直接測(cè)量充電電流的有效值（I），電壓有效值為：

由于高頻諧波電流的容抗比基波電流的要小，如果所測(cè)電壓存在波形畸變，這種方法很容易帶來較大的測(cè)量不確定度。第27頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)2.電容器充電電壓法測(cè)量交流峰值IdRCDVA電容器充電電壓法

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)電阻來測(cè)量。

如果靜電電壓表或微安表串聯(lián)電阻測(cè)得的電壓為Ud，則電壓峰值：第28頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)3.直流脈動(dòng)電壓的測(cè)量直流脈動(dòng)的測(cè)量

利用高壓電容與電阻串聯(lián)來測(cè)量直流電壓的脈動(dòng)。若直流高壓含有脈動(dòng)電壓分量Vr，當(dāng)脈動(dòng)電壓的頻率為f，則電阻R兩端的電壓為：

也可以采用電容器電流整流法來測(cè)量直流電壓脈動(dòng)的幅值，其測(cè)量方法與交流峰值測(cè)量的方法相同。第29頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)

高壓分壓器1.高阻分壓器和串有高阻的電流表U2U1Z1Z2高阻分壓器I2U1Z1Z2AP高阻與電流表串聯(lián)

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，誤差也很大。因此電阻分壓器只適用于被測(cè)電壓低于100kV的情況。

為防止儀表超量程，并聯(lián)保護(hù)的放電間隙或放電管P；為了防止在控制臺(tái)出現(xiàn)高電壓，微安表應(yīng)并聯(lián)電阻。

電阻的溫度系數(shù)應(yīng)盡可能小。高阻值電阻可侵入絕緣油中以增強(qiáng)散熱，同時(shí)可以防止電暈放電和絕緣泄漏。第30頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)2.電容分壓器C2C1U1U2交流電容分壓器分壓器高壓臂分壓器低壓臂

分壓器的分壓比是常數(shù)，即不應(yīng)隨被測(cè)電壓的波形、頻率、幅值、周圍大氣條件、安裝地點(diǎn)的變化而改變。此外，分壓器的接入應(yīng)不影響電壓波形和幅值。（1）分布式電容分壓器，它的高壓臂有多個(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。（2）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。

對(duì)于電容分壓器低壓臂電容C2，要求電容量較大而承受的電壓較低，因此應(yīng)采用高穩(wěn)定度、低損耗、低電感量的云母、聚苯乙烯等介質(zhì)的電容器。電容量根據(jù)分壓比和低壓儀表的量程確定。第31頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)7.5沖擊電壓的測(cè)量沖擊電壓的測(cè)定包括：幅值測(cè)量和波形記錄標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)全波、波尾截?cái)嗖ㄒ约?/5s短波，幅值的測(cè)量不確定度不超過±3%，1s以內(nèi)波頭截?cái)嗖?，其幅值的測(cè)量誤差不超過±5%，波頭及波長時(shí)間的測(cè)量不確定度不超過10%。目前最常用的沖擊電壓的測(cè)量方法：

a.

測(cè)量球隙；

b.

分壓器-示波器。第32頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)1.球間隙測(cè)量沖擊電壓的幅值在利用球隙測(cè)量沖擊電壓時(shí)的注意問題：a.

在球隙距離太?。ǚ烹婋妷?0kV以下），或者球隙直徑太小（小于12.5cm）時(shí)，為減小分散性，應(yīng)對(duì)球隙進(jìn)行照射。b.

利用球隙測(cè)量沖擊電壓時(shí)，如在球隙前串聯(lián)電阻，球隙擊穿瞬間很大，串聯(lián)電阻后會(huì)在其上造成很大的壓降，使測(cè)量出現(xiàn)較大的不確定度。但為避免球隙擊穿時(shí)所造成的振蕩對(duì)被試品的損傷，需要加入串聯(lián)保護(hù)電阻（無感電阻，其值應(yīng)不大于500）。第33頁/共38頁高電壓工程基礎(chǔ)（1）多級(jí)法

以預(yù)期的50%放電電壓的2~3%作為電壓級(jí)差，對(duì)被試品分級(jí)施加沖擊電壓