工頻高電壓試驗.ppt

1、5.1工頻高電壓試驗,5.1.1 工頻高電壓的產生 5.1.2 工頻高電壓的測量 5.1.3 絕緣的工頻耐壓試驗,返回,高壓試驗變壓器是高壓試驗室最基本的、不可缺少的主要設備之一，它被當作電源，并且是交流、直流和沖擊電壓試驗設備的組成部分。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

2、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。當高壓繞組一端接地時，外殼應當按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，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： Ps=U2C 式中 U 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

3、時，繞組由幾個線圈串聯(lián)組成。,圖5-1圓盤形繞組,（2）圓筒形繞組結構如圖5-2所示，低壓繞組內側與鐵心相連，高壓繞組同軸地套在低壓繞組的外側，內側接地，外側為高壓輸出。高壓繞組的電壓由內側至外側逐層升高，各層間采用與線圈同軸的絕緣筒進行絕緣，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

4、結構可大大簡化，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構都不同，因此不能互換位置。設該裝置T3容量為： P3=U2I2=U1I1； T2的容量： P2=U1I1=U2I2+U3I3=2U2I2； T1的容量為： P1=3U2I2,所以當串聯(lián)級數(shù)為3，則整套

5、串級裝置的制作容量為: P=P1+P2+P3=6U2I2 (5-1) 串級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級串聯(lián)裝置的容量利用率為 (5-4),顯然，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。,式中： n串級裝置的級數(shù)。,3. 試驗變壓器的調壓 試驗變壓器的電壓必須從零調節(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壓器來進行。調壓器應該滿足以下基本要求：,(1)電壓應該平滑地

6、調節(jié)，在有滑動觸頭的調壓器中，不應該發(fā)生火花。 (2) 調壓器應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) 調壓器的容量應不小于試驗變壓器的容量。,調節(jié)電壓最好的設備是電動發(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，電壓的調節(jié)用改變發(fā)電機的勵磁來實現(xiàn)。更簡單和便宜的調壓設備是感應調壓器，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子繞組的異步電動機形式（電位調整器）。,感應調壓器的特點是調壓平穩(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子上安置“斜”槽，以保證被調節(jié)的電壓具有接

7、近正弦的波形。目前，已生產出了多種不同容量的感應調壓器；但一般廣泛采用試驗室類型自耦調壓器來進行小容量試驗設備的調壓。,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。固定的電源電壓供給一臺可調節(jié)的調壓器，調壓器再把調節(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來產生交流試驗高壓，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

8、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。這樣構成的串聯(lián)諧振電路在受到與電網(wǎng)相連的調壓器的激勵時將產生高壓。,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 電容器調諧的繞組，如圖5-5所示。當火花間隙G1在預 定的電壓值擊穿時，由L1和C1組成的原邊調諧電路將 閉合。產生高頻衰減振蕩，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諧電路L2C2中感應振蕩。這樣，此過程每重復一次，原邊火花間隙就閃絡一次；因此，供給電路的電源可以是交流，也可以是直流，如

9、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備，一般主要用它來做通訊系統(tǒng)的高頻高壓試驗。,返回,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，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

10、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端）測得電壓值再乘上變壓比，從而求得高壓側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

11、徑的金屬球構成。當球隙距離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 垂直球隙及應保證的尺寸 P一高壓球的放電點 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）的關系表（GB311-83）。其誤差不大于3%，當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

12、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的關系,2. 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峰值,利用整流電容電流測量交流高壓 被測高壓u，當其隨時間變化時，流過電容C的電流 當 為正半波時，電流經(jīng)

13、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Um，有下述關系,(5-6),式中 C 電容器的電容量；, 被測電壓的頻率。,(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,(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。,當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5-9)，測量此靜電力的表計稱為靜電電壓表。測量精度在 3以內

14、。,3. 靜電電壓表,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構如圖5-10所示，保護電極的中央設有一個可動圓板電極，可動電極在靜電吸引力的作用下產生移動，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，摩擦會造成測量誤差。,圖5-10 靜電電壓表,(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：,假定靜電電壓表的兩電極接在交流電源上，當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：,(5-9),若u按正弦函數(shù)作周期性變化。即,(

15、5-10),則在一個周期T內，電極所受作用力的平均值F,(5-11),(5-13),上式中U,l ,S 的單位分別為kV,cm,cm2，由（5-13）得,(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,=,(5-12),可見電場作用力與電壓平方成正比，所以它的偏轉方向與被測電壓的極性無關。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

16、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 ，兩電容上的壓降分別為 和 ，這里 ，又,(5-15),(5-16),所以有,(5-17),使大部分電壓降在C1上，從而實現(xiàn)用低壓儀表測量高壓的目的。對于分壓器，要求K是常數(shù)，不應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足夠大以盡可能減小對被測回路的影響。,稱為分壓比。顯然只要 ，那么 ，,電容分壓器中，要求C1的電容量很小，但又能

17、承受很高的電壓。對電容分壓器中C2的要求是電容量較大而承受電壓較低，因此C2應采用高穩(wěn)定度、低損耗、低電感量的云母、空氣或聚苯乙烯介質的電容器；電容量根據(jù)分壓比和低壓儀表的量程確定。,實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??；另一種稱為集中式電容分壓器，它的高壓臂使用一個氣體介質的高壓標準電容器，氣體介質常采用N,CO2,SF6及其混合氣體，目前我國已能生產1200kV的高壓標準電容器。,交流高壓的測量有時也使用電阻分壓器，但由于對地雜散電容的作用，不但會引起幅值誤差，還會引起相位誤差。

18、被測電壓越高，分壓器本體電阻值越大，對地雜散電容越大，引起的誤差也越大。因此電阻分壓器只適用于被測電壓低于100kV的情況。,返回,5.1.3 絕緣的工頻耐壓試驗,工頻交流耐壓試驗是檢驗電氣設備絕緣強度的最有效和最直接的方法。它可用來確定電氣設備絕緣耐受電壓的水平，判斷電氣設備能否繼續(xù)運行，是避免其在運行中發(fā)生絕緣事故的重要手段。工頻耐壓試驗時，對電氣設備絕緣施加比工作電壓高得多的試驗電壓，這些試驗電壓反映了電氣設備的絕緣水平。耐壓試驗能夠有效地發(fā)現(xiàn)導致絕緣抗電強度降低的各種缺陷。,工頻高壓試驗的基本接線圖,以試驗變壓器或其串級裝置作為主設備的工頻高壓試驗（包括耐壓試驗）的基本接線如圖5-12

19、所示。試驗變壓器的輸出電壓必須能在很大的范圍內均勻地加以調節(jié)，所以它的低壓繞組應由一調壓器來供電。,圖5-12 工頻高壓試驗的基木接線圖 AV一調壓器 PV1一低壓側電壓表 T一工頻高壓裝置 R1一變壓器保護電阻 TO一被測試品 R2一測量球隙保護電阻 PV2一高壓靜電電壓表 F一測量球隙 Lf一Cf一諧波濾波器,工頻耐壓試驗的實施方法如下：按規(guī)定的升壓速度提升作用在被測試品TO上的電壓，直到等于所需的試驗電壓U為止，這時開始計算時間。為了讓有缺陷的試品絕緣來得及發(fā)展局部放電或完全擊穿，達到U后還要保持一段時間，一般取一分鐘就夠了。如果在此期間沒有發(fā)現(xiàn)絕緣擊穿或局部損傷（可通過聲響、分解出氣體、冒煙、電壓表指針劇烈擺動、電流表指示急劇增大等異?，F(xiàn)象作出判斷）的情況，即可認為該試品的工頻耐壓試驗合格通過。,試驗中常用的調壓供電裝置有下列幾種： 自耦調壓器 移卷調壓器 感應調壓器 電動一發(fā)電機組,2. 試驗中需注意的問 防止工頻高壓試驗中可能出現(xiàn)的過電壓 在工頻高壓試驗中，大多數(shù)試品是電容性的。當試驗變壓器施加工頻高壓時，往往會在試品上產生“容升”效應，也就是實際作用到試品上的電壓值會超過高壓側所應輸出的電壓值。另外，對初級繞組突然加壓，而不是由零逐漸升高電壓?；蛘?，當輸出電壓較高時突然切斷電源，都有可能由于過渡過程而在試驗回路中產生過電壓。,防止產生這種過電壓的辦法是在變