絕緣高壓試驗(yàn)

各種預(yù)防性絕緣試驗(yàn)的作用第五章絕緣的高電壓試驗(yàn)什么是絕緣的高電壓試驗(yàn)？

在高壓試驗(yàn)室用工頻交流高壓、直流高壓、雷電沖擊高壓、操作沖擊高壓等模擬電氣設(shè)備的絕緣在運(yùn)行中受到的工作電壓，用以考驗(yàn)各種絕緣耐受這些高電壓作用的能力。

特點(diǎn)：直觀、可信度高、要求嚴(yán)格。具有破壞性試驗(yàn)的性質(zhì)。一般放在非破壞性試驗(yàn)項(xiàng)目合格通過之后進(jìn)行，以避免或減少不必要的損失。難點(diǎn)問題：

由于輸電電壓和相應(yīng)的試驗(yàn)電壓在不斷提高，要獲得各種符合要求的試驗(yàn)用高電壓越來越困難，這是高電壓試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展中首先需要解決的問題。本章主要內(nèi)容：

本章介紹產(chǎn)生各種試驗(yàn)電壓的高電壓設(shè)備、各種高電壓的測(cè)量方法以及絕緣高電壓試驗(yàn)的接線和實(shí)施方法。第一節(jié)工頻高電壓試驗(yàn)工頻高電壓試驗(yàn)不僅僅為了檢驗(yàn)絕緣在工頻交流工作電壓下的性能，也用來等效地檢驗(yàn)絕緣對(duì)操作過電壓和雷電過電壓的耐受能力。本節(jié)主要介紹工頻高電壓的產(chǎn)生原理和工頻高壓試驗(yàn)的基本接線圖。工頻高電壓試驗(yàn)的基本線路1-電源開關(guān)；2-調(diào)壓器；3-電壓表；4-試驗(yàn)變壓器；5-變壓器保護(hù)電阻；6-試品；7-測(cè)量銅球保護(hù)電阻；8-測(cè)量銅球一、工頻高電壓的產(chǎn)生通常采用高壓試驗(yàn)變壓器或其串級(jí)裝置來產(chǎn)生。對(duì)電纜、電容器等電容量較大的被試品，可采用串聯(lián)諧振回路來獲得試驗(yàn)用的工頻高電壓。工頻高壓裝置是高壓試驗(yàn)室中最基本的設(shè)備，也是產(chǎn)生其他類型高電壓的設(shè)備基礎(chǔ)部件。（一）高壓試驗(yàn)變壓器——特點(diǎn)試驗(yàn)變壓器本身應(yīng)有很好的絕緣，但絕緣裕度小，試驗(yàn)過程中要嚴(yán)格限制過電壓的出現(xiàn)。例如：500～750kV試驗(yàn)變壓器的絕緣五分鐘試驗(yàn)電壓僅比其額定電壓高10％～15％。額定電壓高而容量不大,試驗(yàn)變壓器高壓側(cè)電流和額定容量都主要取決于被試品的電容。

(A)

（kVA）被試品的電容和試驗(yàn)變壓器本身的電容，uF

試驗(yàn)電壓，kV;

電源頻率，Hz。外觀上的特點(diǎn)：由于試驗(yàn)變壓器的額定電壓很高而容量不大，油箱本體不大而其高壓套管又長又大。單套管式試驗(yàn)變壓器：額定電壓一般不超過250～300kV雙套管式試驗(yàn)變壓器：最高額定電壓達(dá)750kV試驗(yàn)變壓器連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不長，發(fā)熱較輕，因而不需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)。漏抗大，短路電流較小，可降低機(jī)械強(qiáng)度方面的要求。輸出電壓波形很難完美，需要采取措施加以修正。試驗(yàn)變壓器試驗(yàn)變壓器的接線與結(jié)構(gòu)示意圖如5－1。

工頻試驗(yàn)變壓器與電力變壓器的比較工頻試驗(yàn)變壓器電力變壓器(二)試驗(yàn)變壓器串級(jí)裝置變壓器的體積和重量近似地與其額定電壓的三次方成比例。當(dāng)所需的工頻試驗(yàn)電壓很高（例如超過750kV）時(shí)，再采用單臺(tái)試驗(yàn)變壓器來產(chǎn)生在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上不合理。時(shí)，采用若干臺(tái)試驗(yàn)變壓器組成串級(jí)裝置來滿足要求。由兩臺(tái)單套管試驗(yàn)變壓器組成的串級(jí)裝置示意圖如圖5-2所示。

T2的容量為T1的容量為

顯然，雖然這兩臺(tái)試驗(yàn)變壓器地初級(jí)電壓相同，次級(jí)電壓也相同，但它們的容量和高壓繞組結(jié)構(gòu)都不同，因而不能互換位置。

整套串級(jí)裝置的制造容量為串級(jí)裝置的輸出容量卻只有

因而裝置的容量利用率n級(jí)串級(jí)裝置的容量利用率試驗(yàn)變壓器的臺(tái)數(shù)越多，容量利用率越低。這是串級(jí)裝置的固有缺點(diǎn)。因而通常很少采用n>3的方案。整套裝置總?cè)萘浚篣2I2+2U2I2+3U2I2=6U2I2 裝置輸出額定容量：3U2I2 容量利用率低

三變壓器組成的串級(jí)變壓器示意圖

二、工頻高壓試驗(yàn)的基本接線圖

由于試驗(yàn)變壓器（輸出電壓可調(diào)）的低壓繞組應(yīng)由一調(diào)壓器來供電，調(diào)壓器應(yīng)能按規(guī)定的升壓速度連續(xù)、平穩(wěn)地調(diào)節(jié)電壓，使高壓側(cè)電壓在0-U的范圍內(nèi)變化。常用的調(diào)壓供電裝置有下列幾種：自耦變壓器特點(diǎn)：體積小、質(zhì)量輕、短路阻抗小、功耗小、對(duì)波形畸變少。不適用大功率變壓器。感應(yīng)調(diào)壓器利用電磁感應(yīng)原理將初級(jí)電能通過磁場(chǎng)感應(yīng)饋送到次級(jí)，又通過改變定轉(zhuǎn)子繞組軸線相對(duì)角位移和一定的聯(lián)接方式，使次級(jí)負(fù)載電壓能在帶電狀態(tài)下并在較大的范圍內(nèi)得到平滑無級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)。移卷調(diào)壓器廣泛應(yīng)用于對(duì)波形要求不嚴(yán)格、額定電壓為100kv及以上的試驗(yàn)變壓器上。電動(dòng)-發(fā)電機(jī)組可以得到很好的正弦波形和均勻的電壓調(diào)節(jié)，適用于對(duì)試驗(yàn)要求較高的大型制造廠和試驗(yàn)基地應(yīng)用。

試驗(yàn)變壓器高壓側(cè)的電壓可以用高壓靜電電壓表PV2或測(cè)量球隙F來測(cè)量。測(cè)量球隙還能防止因操作失誤而出現(xiàn)高電壓的作用，而讓PV2承擔(dān)測(cè)量高壓的任務(wù)。工頻耐壓試驗(yàn)的實(shí)施方法：

按規(guī)定的升壓速度提升作用在被試品TO上的電壓，直到它等于所需的試驗(yàn)電壓Ut為止。保持1分鐘，沒有發(fā)現(xiàn)絕緣擊穿或局部損傷，可認(rèn)為合格通過。第二節(jié)直流高電壓試驗(yàn)被試品的電容量很大的場(chǎng)合（例如長電纜段、電力電容器等），用工頻給交流高電壓進(jìn)行絕緣試驗(yàn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)很大的電容電流，要求試驗(yàn)裝置具有很大的容量，很難做到。這時(shí)用直流高電壓試驗(yàn)來代替工頻高電壓試驗(yàn)。一、直流高電壓的產(chǎn)生將工頻高電壓經(jīng)高壓整流器而變換成直流高電壓。利用倍壓整流原理制成的直流高壓串級(jí)裝置（或稱串級(jí)直流高壓發(fā)生器)能產(chǎn)生出更高的直流試驗(yàn)電壓。（一）高壓整流器主要技術(shù)參數(shù)額定整流電流：通過整流器的正向電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值。額定反峰電壓：當(dāng)整流器阻斷時(shí)，其兩端容許出現(xiàn)的最高反向電壓峰值。電路空載時(shí)整流器兩端承受的反向電壓

最大反向電壓

當(dāng)接有負(fù)載時(shí)（），電容C上的整流電壓的最大值Umax將不可能再等于Um，而是要比它低一個(gè)△U;在整流器處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，電容C上的電壓也不再保持恒定，將因RL放電而逐漸下降，直至某一最小值Umin為止，因?yàn)檫@時(shí)第二個(gè)周期的充電過程開始了，電壓出現(xiàn)脈動(dòng)現(xiàn)象，如圖5-6所示。整流回路的基本技術(shù)參數(shù)：

額定平均輸出電壓：

額定平均輸出電流：

電壓脈動(dòng)系數(shù)（紋波系數(shù)）：對(duì)半波整流回路負(fù)載電阻RL越小（負(fù)載越大），輸出電壓的脈動(dòng)幅度越大；而增大濾波電容C或提高電源頻率f，均可減小電壓脈動(dòng)。(二)倍壓整流回路三種倍壓整流電路，前二種可獲得等于2Um的直流電壓，而后一種可獲得等于3Um的直流電壓。（a）中，電源T在正半波期間流經(jīng)整流器V1向電容器C1充電，負(fù)半波時(shí)則經(jīng)V2向C2充電，最后C1和C2上的電壓均達(dá)到Um，它們疊加起來即可在輸出端獲得2Um的直流電壓。這種倍壓整流回路實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)半波整流回路的疊加。

（b）中，電源在負(fù)半波期間經(jīng)V1向C1充電，而正半波期間電源與C1串聯(lián)起來經(jīng)V2向C2充電，所以最后C2上也獲得2Um的直流電壓。

（c）中,電源在正半波期間經(jīng)V1向C1充電，經(jīng)V2向C2充電，負(fù)半波期間電源與C1和C2串聯(lián)起來經(jīng)V3向C3充電，最后C3上獲得3Um的直流電壓。

前面說的都是空載時(shí)的情況，當(dāng)接上負(fù)載電阻后，輸出電壓也會(huì)出現(xiàn)電壓降落和脈動(dòng)的現(xiàn)象。倍壓直流與串級(jí)直流裝置倍壓電路的工作原理變壓器輸出電壓峰值UT直流高壓2UTUC1＝UC2＝UTUB＝UT

UA可達(dá)2UT要求變壓器絕緣水平高高壓變壓器不接地的直流倍壓電路Why？

變壓器一端接地的直流倍壓電路

降低變壓器的絕緣水平，可采用普通型變壓器作為直流電源的變壓器變壓器一端接地的直流倍壓電路倍壓電路空載時(shí)的各點(diǎn)電位

倍壓過程：當(dāng)T的高壓繞組的端點(diǎn)3相對(duì)于0點(diǎn)電壓為負(fù)時(shí)，D1正向?qū)?，使電容C1充電，充電穩(wěn)定后點(diǎn)1相對(duì)于3建立起UM的電壓

變壓器一端接地的直流倍壓電路倍壓電路空載時(shí)的各點(diǎn)電位

倍壓過程：當(dāng)點(diǎn)1相對(duì)于0為正時(shí)，D1開始截止

變壓器一端接地的直流倍壓電路倍壓電路空載時(shí)的各點(diǎn)電位

倍壓過程：在點(diǎn)1相對(duì)于2為正時(shí)D2導(dǎo)通。充電穩(wěn)定時(shí)，由于在點(diǎn)3相對(duì)于0的最高電壓可達(dá)+UM，因點(diǎn)1相對(duì)于3已充有+UM電壓，所以點(diǎn)1的對(duì)地電壓最高可達(dá)＋2UM，此時(shí)D2導(dǎo)通，最終可使C2充上2UM的電壓

變壓器一端接地的直流倍壓電路倍壓電路空載時(shí)的各點(diǎn)電位

串級(jí)直流裝置

概念：倍壓電路的積木式的迭加利用圖5-7（b）中的倍壓整流電路作為基本單元，多級(jí)串聯(lián)起來即可組成一臺(tái)串級(jí)直流高壓發(fā)生器，如圖5-8所示。當(dāng)級(jí)數(shù)n超過一定值時(shí)，再增加n將無助于輸出電壓的增加，而元件數(shù)量和整個(gè)結(jié)構(gòu)高度卻會(huì)隨n而正比上升，這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予注意。直流高壓串級(jí)發(fā)生器串級(jí)裝置的充電過程可利用圖5-9所示的直流電源+E和-E經(jīng)切換開關(guān)S給各臺(tái)電容器充電的過程來加以說明。

二、直流高電壓試驗(yàn)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍

特點(diǎn)：只有微安級(jí)泄漏電流，試驗(yàn)設(shè)備的容量較小。試驗(yàn)時(shí)可同時(shí)測(cè)量泄漏電流，由所得的“電壓－電流”曲線能有效地顯示絕緣內(nèi)部的集中性缺陷或受潮。用于旋轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)，能使電機(jī)定子繞組的端部絕緣也受到較高電壓的作用，發(fā)現(xiàn)端部絕緣中的缺陷。在直流電壓下，局部放電較弱，不會(huì)加快有機(jī)絕緣材料的分解或老化變質(zhì)，在某種程度上帶有非破壞性試驗(yàn)的性質(zhì)。直流電壓下，絕緣內(nèi)的電壓分布由電導(dǎo)決定，因而與交流運(yùn)行電壓下的電壓分布不同，所以交流電氣設(shè)備的絕緣考驗(yàn)不如交流耐壓試驗(yàn)?zāi)菢咏咏鼘?shí)際。直流高壓試驗(yàn)接線示意圖第三節(jié)沖擊高電壓實(shí)驗(yàn)一、沖擊高電壓的產(chǎn)生1.單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器基本回路C0放電回路標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊全波采用的是非周期性雙指數(shù)波。

圖雙指數(shù)函數(shù)沖擊電壓波

波前形成過程：波尾形成過程：一、沖擊高電壓的產(chǎn)生

實(shí)際沖擊電壓發(fā)生器采用圖5-19的回路。

圖5-19沖擊電壓發(fā)聲器常用回路

放電回路的利用系數(shù)

一、沖擊高電壓的產(chǎn)生2.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200～300kV。因而采用多級(jí)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(jí)沖擊電壓發(fā)生器原理接線圖:

圖5-20多級(jí)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5-21沖擊電壓發(fā)生器充電過程等值電路圖5-22沖擊電壓發(fā)生器放電過程等值電路一、沖擊高電壓的產(chǎn)生自起動(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Uc，當(dāng)F1的電壓上升到等于Uc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)作狀態(tài)，然后利用裝置產(chǎn)生一點(diǎn)火脈沖，送到F1的一個(gè)球電極上。第四節(jié)高電壓測(cè)量技術(shù)

目前最常用的測(cè)量沖擊電壓的方法有：①分壓器-示波器；②測(cè)量球隙；③分壓器-峰值電壓表。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)間的變化過程。1.分壓器與數(shù)字記錄儀（示波器）圖沖擊電壓測(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)來進(jìn)行測(cè)量，如圖所示。2.標(biāo)準(zhǔn)球間隙(1)多級(jí)法以預(yù)期的50%放電電壓的2～3%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2～3％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Ui＋△U，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