高电压技术-第5章

1、第五章 电气绝缘高电压试验电气设备的绝缘在运行中除了长期受到工作电压（工频交流电压或直流电压）的作用外，还会受到各种过电压的侵袭。为了检验电气设备的绝缘强度，在出厂时、安装调试时或大修后需要进行各种高电压试验。因此在高压试验室内应能模拟出这些试验电压，从而实现对电气设备绝缘进行耐压试验以考验各种绝缘耐受这些高电压作用的能力。5.1 工频高电压试验5.2 直流高电压试验5.3 冲击高电压试验习题与思考题本章主要内容：5.1工频高电压试验5.1.1 工频高电压的产生5.1.2 工频高电压的测量5.1.3 绝缘的工频耐压试验高压试验变压器是高压试验室最基本的、不可缺少的主要设备之一，它被当作电源，并

2、且是交流、直流和冲击电压试验设备的组成部分。高压试验室中的工频高电压通常采用高压试验变压器或其串级装置来产生，但对电容量较大的被试样，可采用串联谐振回路来获得工频高电压。5.1.1 工频高电压的产生1. 高压试验变压器高压试验变压器大多数为油浸式，有金属壳及绝缘壳两类。金属壳变玉器又可分为单套管和双套管两种。单套管变压器的高压绕组一端接地，另一端（高压端）经高压套管引出。双套管变压器高压绕组的中点通常与外壳相连，这样每个套管所承受的只是额定电压Un的一半，因而可以减小套管的尺寸和重最。当高压绕组一端接地时，外壳应当按0.5Un对地绝缘起来。试验变压器一般作成单相的。高压绕组大多数作成多层绕组，

3、层间绝缘由电缆纸和绝缘材料制成的圆筒组成。试验变压器与电力变压器相比主要特点：变比较大容量较小工作时间短试验变压器的容量由被测试样在最不利的试验条件下需要的电流来确定。在特殊情况下，例如对于长电缆的试验，变压器必需的容量：式中Ps=U2CU 试验电压，kV；C 试样电容， F；Ps 变压器容量，VA。变压器绕组方式：（1）圆盘形绕组如图5-1所示，输出电压在几十千伏以下时，绕组由几个线圈串联组成。图5-1圆盘形绕组（2）圆筒形绕组结构如图5-2所示，低压绕组内侧与铁心相连，高压绕组同轴地套在低压绕组的外侧，内侧接地，外侧为高压输出。高压绕组的电压由内侧至外侧逐层升高，各层间采用与线圈同轴的绝缘

4、筒进行绝缘，每层线圈的匝数也随电压的升高而减少，并且远离铁心部分。图5-2 圆筒形绕组2. 试验变压器串级装置由于受到体积和重量的限制，单个试验变压器的额定电压不可能做得太高。当所需工频电压很高往往采用串级线路把几台试验变压器串接起来。数台试验变压器串级联接的办法就是将它们的高压绕组串联起来，使它们的高压侧电压叠加后得到很高的输出电压，而每台变压器的绝缘要求和结构可大大简化，减轻绝缘难度，降低总价格。图5-3 由单高压套管变压器元件组成的串级变压器示意图图5-3所示的串级方式称为自耦式串级变压器，这是目前最常用的串级方式。这里高一级的变压器的励磁电流由前面一级的变压器来供给。图中绕组1为低压绕

5、组，2为高压绕组，3为供给下一级激磁用的串级激磁绕组。虽然这时三台变压器的初级电压相同(U1=U3)，次级电压也相同（均为U2），但它们的容量和高压绕组结构都不同，因此不能互换位置。设该装置T3容量为：P3=U2I2=U1I1；T2的容量：P2=U1I1=U2I2+U3I3=2U2I2；T1的容量为：P1=3U2I2所以当串联级数为3，则整套串级装置的制作容量为:P=P1+P2+P3=6U2I2串级装置的输出额定容量为Pn=3 U2I2(5-1)(5-2)因而装置的容量利用率为(5-3)(5-4)=Pn/P=1/2同理推出n级串联装置的容量利用率为 =2n + 1式中： n串级装置的级数。显然

6、，串接台数越多，装置利用系数越低，且随着串接数的增加，整套串接试验变压器的总漏抗值急剧增加，因此串级试验变压器的串接数一般不超过3，这是串级装置的固有缺点。3. 试验变压器的调压试验变压器的电压必须从零调节到指定值，这是其运行方式的特点,要靠连到变压器初级绕组电路中的调压器来进行。调压器应该满足以下基本要求：(1)电压应该平滑地调节，在有滑动触头的调压器中，不应该发生火花。(2) 调压器应在试验变压器的输入端提供从零到额定值的电压，电压具有正弦波形且没有畸变。(3) 调压器的容量应不小于试验变压器的容量。调节电压最好的设备是电动发电机组，它由安装在一个轴上的三相同步发电机和直流或交流电动机组成

7、，电压的调节用改变发电机的励磁来实现。更简单和便宜的调压设备是感应调压器，它们有的做成带移动式绕组的变压器或自耦变压器形式，有的做成制动的带转子绕组的异步电动机形式（电位调整器）。感应调压器的特点是调压平稳，并且没有滑动触头。采用了各种消除高次谐波的方法，例如在制动电机的定子和转子上安置“斜”槽，以保证被调节的电压具有接近正弦的波形。目前，已生产出了多种不同容量的感应调压器；但一般广泛采用试验室类型自耦调压器来进行小容量试验设备的调压。4. 串联谐振电路交流高压可以通过由马达带动的发电机或电池供电的振荡器产生，但是最常用的试验装置是由110V或240V、50/60Hz的电源供电。固定的电源电压

8、供给一台可调节的调压器，调压器再把调节了的电压供给单级升压变压器的原边。由于原边电源电压和变压器励磁电流中的谐波可能激发不同频率的固有振荡，从而导致变压器付边电压波形的严重畸变和增高。但是，若有意而又有效地利用谐振效应来产生交流试验高压，此高压不含有不需要的其它谐波。串联谐振电路的简化图如5-4所示。图中被测试样如电缆用电容来代替与可动线圈电抗器串联。电抗器的电感可以改变并与电源频率下电容负荷的阻抗相匹配。这样构成的串联谐振电路在受到与电网相连的调压器的激励时将产生高压。图5-4串联谐振电路简化图泰斯拉（Tesla）线圈是空心升压变压器。它有两个电容器调谐的绕组，如图5-5所示。当火花间隙G1

9、在预定的电压值击穿时，由L1和C1组成的原边调谐电路将闭合。产生高频衰减振荡，其频率一般在104105Hz。图5-5泰斯拉（Tesla）线圈电路图在原边电路中的振荡电流将在副边调谐电路L2C2中感应振荡。这样，此过程每重复一次，原边火花间隙就闪络一次；因此，供给电路的电源可以是交流，也可以是直流，如果原边输入几千伏的电压，输出电压能够达到1MV。因为泰斯拉线圈输出电压波形复杂，并且火花间隙还会辐射无线电干扰，所以偶尔才用于正常工频运行下的设备，一般主要用它来做通讯系统的高频高压试验。5.1.2 工频高电压的测量试品上工频高压的测量目前最常用的测量方法有：用测量球隙或峰值电压表测量交流电压的峰值

10、，用静电电压表测量交流电压的有效值（峰值电压表和静电电压表还常与分压器配合使用以扩大仪表的量程）；为了观察被测电压的波形，也可从分压器低压侧将输出的被测信号送至示波器显示波形。在电力系统中通常使用电压互感器配合低压仪表来测量高电压的方法，在高压实验室中用得不多。特别在测量很高的电压时，利用电压互感器的方法既不经济，也不方便。由于高压放电的分散性比较大，一般对测量精度的要求不高。按现行的国家标准和国际标准（IEC）规定，无论是有效值或峰值，都要求误差不超过 3 。图5-6是几种工频高压测量方法的原理接线图，实际测量时可采用其中的一种或几种，从变压器的初级（P1P2端）或由附加的测量绕组（P3P4

11、端）测得电压值再乘上变压比，从而求得高压侧输出电压值是最便捷的方法，但误差通常较大，常起辅助指示作用。图5-6工频高压的测量R1 R2一保护电阻 V.D.一分压器 T.O.一试样S.V.一静电电压 Q 一球隙 T 一高压试验变压器1. 用球间隙测量工频高压测量球隙由一对相同直径的金属球构成。当球隙距离d与直径D之比不大时，球隙间的电场为稍不均匀电场，由气体放电的理论可知，当电压加于球隙间形成稍不均匀电场时，其击穿电压决定于球隙间的距离。球隙就是利用这个原理来测量各种类型高电压的。直径更大的球隙则使用垂直式装置（如图5-7）。使用时下球极接地，上球极接高压。图5-7 垂直球隙及应保证的尺寸P一高

12、压球的放电点R一球隙保护电阻国际电工委员会在1960年制订了在标准大气条件下标准球隙的距离与工频放电电压（峰值）的关系表（GB311-83）。其误差不大于3%，当测量时的大气条件不同于标准大气条件时，需要进行校正。方法如下：U试验中大气条件下的放电电压UH标准大气条件下的放电电压Kr修正系数，可由表5-1查得U=KrUH用球隙测量工频电压时，应取连续三次击穿电压的平均值，相邻两次击穿间隔时间一般不小于lmin，各次击穿电压与平均值之间的偏差不大于3%。表5.1 空气相对密度与修正系数Kr的关系空气相对密度修正系数ki0.70.720.750.770.80.810.850.860.90.910.

13、950.951.01.01.051.051.101.092. 峰值电压表峰值电压表的制成原理通常有两种，一种是利用整流电容电流测量交流高压，另一种是利用整流充电电压测量交流高压，其原理如图5-8所示。图5-8峰值电压表的原理(a)利用电容电流测电压峰值的接线(b)利用电容器C上的整流充电电压侧峰值关系Ia2CfUm =(5-6)式中C 电容器的电容量；f 被测电压的频率。(1)利用整流电容电流测量交流高压被测高压u，当其随时间变化时，流过电容C的 电流ic=Cdu/dt，当ic为正半波时，电流经整流元件D1 及检流计G流人地中（如图5-8(a)，若流经G的电流平均值为Ia。则它与被测电压的峰值

14、Um，有下述1(2) 利用电容器上整流充电电压测量交流高压如图5-8(b)所示，被测交流电压经整流管D使电容充电至交流电压的幅值，电容电压由静电电压表或微安表串联电阻来测量。则电压峰值U dT2RCU m =(5-7)式中T 交流电压的周期；Ud一电压 ；C 一电容器的电容量；R测量电阻值。9)，测量此静电力的表计称为静电电压表。测量精度在 3以内。3.静电电压表当加电压于两个特制的电极板时，由于两电极上分别充上异性电荷，电极就会受到静电机械力的作用（如图5-图5-9平板电极间的电场和静力吸力静电电压表的典型结构如图5-10所示，保护电极的中央设有一个可动圆板电极，可动电极在静电吸引力的作用下

15、产生移动，移动量经放大后，由指针读出。该装置具有耗电量小、波形和电压频率引起的误差小等优点，但由于静电力很小，摩擦会造成测量误差。图5-10 静电电压表1 2 dC(5-8)若有一对电极，电极间距离为l，电容为C，所加电压瞬时值为u，则此电容的电场能量W为：212CuW =假定静电电压表的两电极接在交流电源上，当极板作无穷小的移动 dl时，电场能量将发生变化dW，两值必然相等，故电极所受到的作用力可表示为：udWdl2 dl=f =(5-9)若u按正弦函数作周期性变化。即(5-10)则在一个周期T内，电极所受作用力的平均值F(5-11)u = um sin(t + )dldCUdldCUTUT

16、dldCdtuTdldCfdtTFmmTT22202021)2(2121211211= 1 2 S0rF = U2l721032U2 rSl21=(5-13)上式中U,l ,S 的单位分别为kV,cm,cm2，由（5-13）得F 1044.52 rSU = l(5-14)对于平行极板的情况下，由于极板间为均匀电场，则其电容S0 rlC =dCdl(5-12)S0rl2可见电场作用力与电压平方成正比，所以它的偏转方向与被测电压的极性无关。因此，静电电压表既能测量直流又能测量交流电压。所测为电压有效值。静电电压表的内阻很高，因此在测量时几乎不会改变被测试样上的电压；这是它的突出优点。对于电压等级不

17、太高的试验，使用它能很方便地在高压端直接测出电压。目前我国已研制成功测量范围为0500kV的一系列静电电压表。4. 分压器在被测电压高于200kV时，直接用指示仪表测量高压比较困难，通常采用电容分压器配用低压仪表测量高压。其原理如图5-11。图5-11 交流电容分压器 C1 、C2分别为高、低压臂。在工频电压作用下，流过电容C1和C2的电流均为ic，两电容上的压降分别为 和 ，这里 =2 f，又(5-15)(5-16)所以有(5-17) icC1 icC222Ciuc=)(2121211CCCCiCiCiuccc+=+=221211KuuCCCu=+=使大部分电压降在C1上，从而实现用低压仪表

18、测量高压的目的。对于分压器，要求K是常数，不应随外界因素的改变而变化，或者变化满足测量准确度的要求。此外，分压器本身的电抗应足够大以尽可能减小对被测回路的影响。1称为分压比。显然只要C C2，那么u21，则U到纹波电压。5.2.3 绝缘的直流耐压试验直流高压能反映设备受潮、劣化和局部缺陷等多方面的问题。它和交流耐压试验相比主要有以下一些特点：（1）试验设备可以做得比较轻巧，适合于现场预防性试验的要求。（2）在试验时可以同时测量泄漏电流。（3）直流耐压试验比之交流耐压试验更能发现电机端部的绝缘缺陷。（4）在直流高压下，局部放电较弱。（本节完）小结获得直流高电压的方法有半波整流回路、倍 压整流回路

19、和串级直流发生器。6种直流工频高电压的测量方法。利用直流高压对电器设备进行耐压试验有重 要的实际意义，并随着直流输电系统的应用 将会有更大的发展。5.3 冲击高电压试验5.3.1 冲击高电压的产生5.3.2 冲击高电压的测量5.3.3 绝缘的冲击耐压试验5.3.1 冲击高电压的产生1. 冲击发生器的基本原理冲击电压发生器的原理图如图5-22所示。图5-22 冲击电压发生器原理图2.基本回路标准雷电冲击全波采用的是非周期性双指数波。)t2t1eu(t) = A(e1波尾时间常数2波前时间常数)t 2t1 eu(t) = A ( e图5-23(a) 双指数函数冲击电压波)t2u(t) A(1et1

20、u(t) Ae波尾，波前，图5-24(a)可获得冲击电压波前的回路图5-24(b)可获得冲击电压波尾的回路实际冲击电压发生器采用图5-26的回路。图5-26 冲击电压发声器常用回路放电回路的利用系数U 2mU0R2R11 + R2C1C1 +C2 =3.多级冲击电压发生器单级冲击电压发生器能产生的最高电压一般不超过 200300kV。因而采用多级叠加的方法来产生波形和幅值都能满 足需要的冲击高电压波。多级冲击电压发生器原理接线图:图5-27多级冲击电压发生器的原理接线图基本原理:并联充电，串联放电图5-28 冲击电压发生器充电过程等值电路图5-29冲击电压发生器放电过程等值电路冲击电压发生器的

21、起动方式：的水平上，处于准备动作的状态，然后利用点火装置产生一点火脉冲，送到点火球隙F1中的一个辅助间隙上使之击穿并引起F1的主间隙击穿,起动整套装置。自起动方式：只要将点火球隙F1的极间距离调节到使其击穿电压等于所需的充电电压 UC ，当F1上的电压上升到等于UC时，F1即自行击穿，起动整套装置。方式二：使各级电容器充电到一个略低于F1击穿电压5.3.2 冲击高电压的测量目前最常用的测量冲击电压的方法有：分压器-示波器；测量球隙；分压器-峰值电压表。球隙和峰值电压表只能测量电压峰值，示波器则能记录波序，即不仅指示峰值而且能显示电压随时间的变化过程。1. 分压器与数字记录仪（示波器）图5-30冲击电压测量系统由于可同时测定波形和峰值，所以在测量中被广泛使用。由于数字记录仪的输入电压一般小于数百伏，所以常和分压器一起构成冲击电压测量系统来进行测量，如图5-30所示。2. 标准球间隙(1) 多级法 以预期的50%放电电压的23%作为电压级差，对被测试品分级施加冲击电压，每级施加电压10次。至少要加4级电压。要求在最低一级电压时的放电次数近于零，而在最高一级电压时，近于全部放电。求出每级电压下的放电次数与施加次数之比P（即放电频率）后，将其按电压值标于正态概率纸上，给出拟合直线P=f(U)，