第7章電氣設備絕緣的高電壓試驗

會計學1第7章電氣設備絕緣的高電壓試驗高電壓工程基礎工頻電壓的產(chǎn)生1.工頻高壓試驗對試驗設備的要求T.O.QBTR1R2工頻高壓試驗的一般線路圖調壓器試驗變壓器保護電阻（保護球隙）保護電阻（限流限壓）球間隙被試品第1頁/共38頁高電壓工程基礎工頻試驗變壓器的特點：（1）電壓由于工頻高壓試驗通常用于代替雷電過電壓或者內部過電壓來考核電氣產(chǎn)品絕緣性能，或進行絕緣擊穿試驗，因此試驗變壓器電壓很高；（2）調壓與波形電壓波形應該是正負半波對稱的正弦波形，頻率在45~55Hz范圍內，電壓的有效值等于幅值除以波頂系數(shù)。對于調壓裝置，應能夠按所要求的速度連續(xù)、平穩(wěn)地調節(jié)電壓。（3）容量在大部分高壓試驗里，試驗變壓器的連續(xù)工作時間不長，而在額定電壓下滿載運行的時間更少，這比長期處于滿載下工作的電力變壓器的運行情況要好得多。試驗變壓器的容量不大，所以設計時采用較小的安全系數(shù)，在額定電壓下只能作短時運行，對特高壓的試驗變壓器，只有在2/3的額定電壓下才能長期運行。第2頁/共38頁高電壓工程基礎2.串級試驗變壓器

2U2

U2

T3

21

3

21T2

3

2

1T1

3U2輸出的額定電流：I2（A）每一級變壓器高壓側繞組的額定電壓：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3.調壓裝置（1）對調壓裝置的要求a）輸出電壓質量好要求調壓器輸出電壓波形應盡量接近正弦波；輸出電壓下限最好為零。b）調壓特性好要求調壓器阻抗不宜過大；調壓特性曲線平滑線性；調節(jié)方便、可靠。（2）常用的調壓裝置a）自耦式調壓裝置；b）移圈式調壓器；c）感應調壓器第4頁/共38頁高電壓工程基礎串聯(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：1）試驗回路對基波頻率產(chǎn)生諧振，因而波形的畸變小；2）被試品發(fā)生擊穿時諧振條件被破壞，串聯(lián)電抗器限制短路電流，故絕緣擊穿處的電弧不會將故障點擴大。第5頁/共38頁高電壓工程基礎調頻調壓電源50Hz電源反饋控制信號激勵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頻率可調的交流電壓，勵磁變壓器升壓，諧振電抗器L和被試品Cx構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，用來測量試驗電壓。系統(tǒng)的頻率取決于回路的L-C參數(shù)。當負載電容Cx的變化范圍很大時，可以根據(jù)Cx的大小，適當調整電抗器的電感L值，使諧振頻率固定在規(guī)定要求范圍內。第6頁/共38頁高電壓工程基礎交流高壓試驗1）防止工頻高壓試驗中可能出現(xiàn)的過電壓原因：“容升”效應、對初級繞組突然加壓、當輸出電壓較高時突然切斷電源等；防止措施：在變壓器出線端與被試品之間串接一適當阻值的保護電阻（按0.1/V選取阻值）2）試驗電壓的波形畸變原因：變壓器或調壓裝置的鐵芯工作在在磁化曲線的飽和段，或當變壓器和調壓器存在漏抗；措施：在試驗變壓器原邊繞組并聯(lián)一個L-C串聯(lián)諧振回路。u1CLCLTu1第7頁/共38頁高電壓工程基礎3）外施電壓試驗和感應高壓試驗對于帶繞組的被試品，用外施電壓對其主絕緣作工頻高壓試驗時，首先應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磁感抗造成不允許的電壓升高。有些電氣設備繞組絕緣是分級的，繞組的各不同部位應該耐受和能夠耐受的試驗電壓當然也就不同。另外，外施電壓法對繞組的縱絕緣和相間絕緣也難于進行試驗。解決這個問題的辦法就是感應高壓試驗，即在其低壓繞組上加足夠高的電壓，使中壓繞組、高壓繞組感應出所需的試驗電壓來。第8頁/共38頁高電壓工程基礎7.2直流高電壓試驗（1）直流高壓試驗設備1）測量泄漏電流；2）直流耐壓試驗（一些大容量的交流設備，如油紙絕緣電力電纜，也常用來代替交流耐壓試驗；高壓直流輸電設備耐壓試驗）；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）對直流電源的要求直流電壓的特性由極性、平均值、脈動等來表示。高壓試驗的直流電源在提供負載電流時，脈動電壓要非常小，即直流電源必須具有一定的負載能力。第9頁/共38頁高電壓工程基礎直流高電壓的產(chǎn)生1.半波整流回路和直流高壓設備的基本參數(shù)T---工頻室驗變壓器C---濾波電容器D---整流元件(高壓硅堆)R---保護電阻Umax、Umin、Ud---試品輸出直流電壓的最大值、最小值、算術平方值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（2）直流高壓試驗設備的基本技術參數(shù)1）輸出的額定直流電壓（算術平均值）Ud2）相應的額定直流電流（平均值）Id3）電壓脈動系數(shù)（亦稱紋波系數(shù)）

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

此電路可看作兩個半波電路的疊加，因而它的參數(shù)計算可參照半波電路的計算原則進行。變壓器A點對地絕緣為2UT，而點A’為UT。輸出電壓為2UT。工作原理：1）當電源為負時，硅堆D1截止，D2導通，電源經(jīng)D2、R對電容C1充電，C1最高充電電壓可達UTm；2）當電源電壓升高時，1點電位也抬高，D2截止，D1導通，電源經(jīng)C1向C2充電，2點電位逐漸升高。第12頁/共38頁高電壓工程基礎直流高電壓的試驗（1）直流高壓試驗要根據(jù)不同試品、不同的試驗要求選擇合適的電源容量。

一般情況下，直流高壓試驗所需的試驗電流通常在幾mA到幾十mA，但是某些試品在擊穿前瞬時泄漏電流還是很大，將達到安培級。這樣大的泄漏電流將使設備內部產(chǎn)生很大壓降而使試驗結果不正確。（2）保護電路當試品放電，或者發(fā)生器輸出端可能發(fā)生對地短路時，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電阻。1.直流高電壓試驗注意事項第13頁/共38頁高電壓工程基礎(1)

試驗設備的容量較小。特別是采用電力電子變換的高頻電源后，整套直流耐壓試驗裝置的體積、重量大大減小，便于現(xiàn)場進行試驗；(2)在試驗時可以同時測量泄漏電流，能有效地顯示絕緣內部的集中性缺陷或受潮，提供有關絕緣狀態(tài)的補充信息；(3)在某種程度上帶有非破壞性試驗的性質，在直流高壓下，局部放電較弱，不會加快有機絕緣材料分解或老化；(4)對交流電氣設備絕緣的考驗不如交流試驗那樣接近實際情況。對于絕大多數(shù)組合絕緣來說，它們在直流電壓下的電氣強度遠高于交流電壓下的電氣強度，因而交流電氣設備的直流耐壓試驗必須提高試驗電壓，才能具有等效性。2.直流高電壓試驗的特點第14頁/共38頁高電壓工程基礎7.3沖擊電壓試驗沖擊電壓：（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。由波頭時間、波尾時間、峰值和極性來表示。POO’TfCFTttUxyz標準雷電沖擊的定義：Tx為30%~90%峰值間所測得的時間。標準雷電沖擊電壓：1.2/50[s]標準操作沖擊電壓：250/2500[s]第15頁/共38頁高電壓工程基礎沖擊電壓發(fā)生器與參數(shù)計算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C1、C2上的電壓相等時，并聯(lián)對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RRRR多級沖擊電壓發(fā)生器RfRtATT（1）充電過程：由試驗變壓器T和高壓硅堆D構成的整流電源，以峰值電壓經(jīng)保護電阻及充電電阻向主電容充電。（2）放電過程：當需要啟動沖擊電壓發(fā)生器時，可向點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，引起點火球隙放電，各球隙相繼放電，將電容器串聯(lián)起來，對試品放電?！半娙萜鞑⒙?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2.沖擊電壓發(fā)生器放電回路的近似計算（1）波前時間的確定第19頁/共38頁高電壓工程基礎（2）半峰值時間的確定（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

截斷波的產(chǎn)生方法

變壓器類設備應作雷電沖擊截斷波試驗，以模擬絕緣子閃絡或避雷器動作時所形成的截斷波。產(chǎn)生截斷波的原理：將一截斷間隙與被試品并聯(lián)，調節(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，由于截斷間隙的擊穿，作用在被試品上的電壓就是截斷波。

目前多采用可控截斷電路來控制截斷時間，截斷間隙采用針孔球隙。觸發(fā)脈沖導致間隙G1放電后，間隙G2上將承受全部電壓，同時，R3上電流流過形成壓降，S2處出現(xiàn)觸發(fā)火花，導致G2放電，形成截斷。第21頁/共38頁高電壓工程基礎7.4穩(wěn)態(tài)高電壓的測量高壓測量系統(tǒng)：轉換裝置、至試品間的引線、接地連線、低壓測量回路、測量儀表等對測量結果的要求：（1）交流電壓的測量，要求蜂值或有效值時的總不確定度在3％之內；（2）直流電壓的測量，要求電壓算術平均值時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%，或脈動系數(shù)測量的不確定度應小于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①利用氣體放電測量交流高電壓，例如測量球隙。②利用靜電力測量高電壓，例如靜電電壓表。③利用整流電容電流或充電電壓來測量高電壓，例如峰值電壓表。④利用分壓器測量高電壓，如電容分壓器和電阻分壓器。實驗室中測量穩(wěn)態(tài)高壓常用的方法：第23頁/共38頁高電壓工程基礎

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

用球間隙測量直流電壓時，會出現(xiàn)較大的分散性，因此，IEC規(guī)定中，推薦使用左圖的棒間隙。標準棒間隙測量直流電壓時，其測量不準確度在±3%以內，測量方法與球間隙一樣。

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

標況下，正、負極性的直流電壓下，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Sfl

靜電電壓表原理：分別帶正、負電荷的導體間存在著靜電吸引力，吸引力的大小與兩導體間的電位差的平方成正比，測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）從而反映所加電壓大小。第26頁/共38頁高電壓工程基礎

利用高壓電容器的測量方法1.電容器電流整流法測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，可用交流電流計直接測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，如果所測電壓存在波形畸變，這種方法很容易帶來較大的測量不確定度。第27頁/共38頁高電壓工程基礎2.電容器充電電壓法測量交流峰值IdRCDVA電容器充電電壓法

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。

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

利用高壓電容與電阻串聯(lián)來測量直流電壓的脈動。若直流高壓含有脈動電壓分量Vr，當脈動電壓的頻率為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量直流電壓脈動的幅值，其測量方法與交流峰值測量的方法相同。第29頁/共38頁高電壓工程基礎

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)

被測電壓越高，分壓器本體電阻值越大，對地雜散電容越大，誤差也很大。因此電阻分壓器只適用于被測電壓低于100kV的情況。

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

電阻的溫度系數(shù)應盡可能小。高阻值電阻可侵入絕緣油中以增強散熱，同時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)，即不應隨被測電壓的波形、頻率、幅值、周圍大氣條件、安裝地點的變化而改變。此外，分壓器的接入應不影響電壓波形和幅值。（1）分布式電容分壓器，它的高壓臂有多個電容器元件串聯(lián)組裝而成，要求每個元件盡可能為純電容，介質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氣體介質的高壓標準電容器。

對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，因此應采用高穩(wěn)定度、低損耗、低電感量的云母、聚苯乙烯等介質的電容器。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7.5沖擊電壓的測量沖擊電壓的測定包括：幅值測量和波形記錄標準規(guī)定：

對于標準全波、波尾截斷波以及1/5s短波，幅值的測量不確定度不超過±3%，1s以內波頭截斷波，其幅值的測量誤差不超過±5%，波頭及波長時間的測量不確定度不超過10%。目前最常用的沖擊電壓的測量方法：

a.

測量球隙；

b.

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

在球隙距離太?。ǚ烹婋妷?0kV以下），或者球隙直徑太?。ㄐ∮?2.5cm）時，為減小分散性，應對球隙進行照射。b.

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

以預期的50%放電電壓的2~3%作為電壓級差，對被試品分級施加沖擊電壓