高电压技术：第7章_电气设备绝缘的高电压试验

1、电力系统中的电气设备，不仅经受到工作电压的长期作用，而且还会受到大气过电压和内过电压的侵袭。为了考核电气设备绝缘在长时间的工作电压及瞬时过电压作用下是否能可靠工作，设备在出厂、安装调试、或大修后需要进行各种高压试验。本章主讲工频高压试验、直流高压试验、冲击高压试验及其测量方法。高电压试验属于破坏性试验，应该在各种预防性试验完成之后进行。高电压工程基础第七章 电气设备绝缘的高电压试验 7.1 交流高电压试验 7.2 直流高电压试验 7.3 冲击电压试验 7.4 稳态高电压的测量 7.5 冲击电压的测量高电压工程基础7.1 交流高电压试验 交流绝缘试验应一般采用频率为45Hz65Hz的交流电压，通

2、过工频试验变压器产生；对于特殊试品需采用较高频率的交流电压，可采用谐振回路产生 。 交流电压的特性主要以峰值、有效值、波形畸变率等来表示，试验时电压波形的畸变应尽可能小。 对于一些特殊试品，采用不同频率的交流电压：变压器的感应试验，采用频率不超过500Hz交流电压；大容量高电压设备的试验，采用串联谐振方法产生的30Hz300Hz交流电压；固体绝缘的加速老化试验则采用几kHz的高频交流电压。 高电压工程基础7.1.1 工频高电压的产生 1. 工频高压试验对试验设备的要求T.O.QBTR1R2工频高压试验的一般线路图 调压器试验变压器保护电阻（保护球隙）保护电阻（限流限压）球间隙试品工频高压试验的

3、接线高电压工程基础2. 工频试验变压器的特点（1）电压高 工频高压试验以短时（1min）工频试验考核设备在长期工作电压、雷电过电压或者内部过电压作用下的绝缘性能。试验电压很高。（2）调压与波形 正负半波对称的正弦波形，频率范围4555Hz。可速度连续、平稳地调节电压。（3）容量不大 试验变压器的容量由试品电容决定，大多试品电容不超过5000pF。对于250kV以上的试验变压器通常采用1A就能满足要求(污闪410A)。 在大部分高压试验里，试验变压器连续工作时间不长，在额定电压下满载运行时间更少。试验变压器安全系数小，额定电压下只能作短时运行。高电压工程基础3. 串级试验变压器 2U2 U2 T

4、3 21 3 21T2 3 2 1T1 3U2输出的额定电流：I2 A 每一级高压侧绕组额定电压：U2装置输出的额定电压：3U2总容量：支柱绝缘子高电压工程基础4. 调压装置（1）对调压装置的要求a）输出电压质量好 要求调压器输出电压波形应尽量接近正弦波。b）调压特性好 要求调压器阻抗不宜过大；调压特性曲线平滑线性；调节方便、可靠。 （2）常用的调压装置a）自耦式调压装置；b）移圈式调压器；c）感应调压器 高电压工程基础CRL串联谐振装置的等效电路 串联谐振方法的优点：1）试验回路对基波频率产生谐振，因而波形的畸变小；2）被试品发生击穿时谐振条件被破坏，串联电抗器限制短路电流，故绝缘击穿处的电

5、弧不会将故障点扩大。 7.1.2 串联谐振交流高压的产生品质因素高电压工程基础变频控制单元50Hz电源反馈控制信号变压器升压电抗器分压器被试品变频串联谐振装置的原理框图 工频电源经变频控制单元输出30300 Hz频率可调的交流电压，变压器升压后，谐振电抗器L和被试品Cx构成高压谐振电路来产生交流高压。电容分压器用于试验电压的测量。 谐振系统频率取决于回路的L-C参数，当负载电容Cx的变化范围很大时，可以根据Cx的大小，适当调整电抗器的电感L值，使谐振频率固定在规定要求范围内。输出频率可调的交流电压试验变压器7.1.3 交流高压试验T.O.QBTR1R2工频高压试验的一般线路图 调压器保护电阻（

6、保护球隙）保护电阻（限流限压）球间隙被试品可并入LC给谐波以通路高电压工程基础1）防止工频高压试验中可能出现的过电压原因：“容升”效应、对初级绕组突然加压、当输出电压较高时突然切断电源等；防止措施：在变压器出线端与被试品之间串接一适当阻值的保护电阻（按0.1/V选取阻值）2）试验电压的波形畸变原因：变压器或调压装置的铁芯工作在磁化曲线的饱和段，或当变压器和调压器存在漏抗；措施：在试验变压器原边绕组并联一个L-C串联谐振回路，给3次或其它谐波以通路。u1CLCLTu1高电压工程基础3）外施高压试验和感应高压试验 对于带绕组的试品，外施高压只能考核其主绝缘，无法考核其纵绝缘（匝间绝缘、层间绝缘、段

7、间绝缘） 有些电气设备绕组绝缘是分级的，绕组的各不同部位应该耐受和能够耐受的试验电压不同，不能采用外施高压试验对其进行考核。另外，外施电压法对绕组的纵绝缘和相间绝缘也难于进行试验。 解决这个问题的办法就是感应高压试验，即在其低压绕组上加足够高的电压，使中压绕组、高压绕组感应出所需的试验电压来。由于其电压分布接近实际运行工况，可使中性点绝缘盒绕组主绝缘承受的电压符合试验要求，同时可考核相应的纵绝缘。 由于铁芯饱和的问题，一般采用较高频率的交流电压。高电压工程基础7.2 直流高电压试验（1）直流高压试验项目 测量泄漏电流； 直流耐压试验（一些大容量的交流设备，如油纸绝缘电力电缆，常用直流耐压代替交

8、流耐压试验；高压直流输电设备耐压试验）； 冲击电压发生器和冲击电流发生器等的直流高压电源。（2）对直流电源的要求 直流电压的特性由极性、平均值、脉动系数等来表示。高压试验的直流电源在提供负载电流时，脉动电压要非常小，必须具有一定的负载能力。t2:经C向试品放电t1:电源经D向C充电高电压工程基础7.2.1 直流高电压的产生1. 半波整流回路和直流高压设备的基本参数（1）半波整流回路保护电阻：试品闪络及充电时保护变压器和高压硅堆高电压工程基础（2）直流高压试验设备的基本技术参数输出的额定直流电压（算术平均值）相应的额定直流电流（平均值）电压脉动系数（亦称纹波系数） IEC规定：脉动系数不大于3,

9、一般要求高压直流试验装置的脉动系数不大于5 对于半波整流，增大电容C或提高电源频率，可减小电压脉动系数。高电压工程基础2. 倍压整流回路C1C2T倍压电路 利用滤波电容的存储作用，由多个电容和二极管可以获得几倍于变压器副边电压的输出电压，称为倍压整流电路。 倍压整流电路输出电压为2UT，可看作两个半波电路的叠加，其参数计算可参照半波电路的计算原则进行。 变压器A点对地绝缘为2UT，而点A为UT。对变压器要求高。常用倍压整流电路工作原理：1）当T的高压绕组的端点3相对于0点电压为负时，D1正向导通，使电容C1充电，充电稳定后点3点位-UM，1点电位接近0。2）电源电压升高(C1电压保持)，1点电

10、位被抬高，当点1相对于0为正时，D1截止；常用倍压整流电路3）在点1电位高于点2为时，D2导通。电源通过C1、D2向C2充电。充电稳定时，由于点3相对于0的最高电压可达UM，而点1相对于3点已有UM电压，所以点1的对地电压最高可达2UM，最终可使C2充上2UM的电压。 常用倍压电路变压器一端接地，对变压器绝缘无特殊要求3. 串级直流发生器D1C1C1Q2Q2+Q1Q2+2Q1Q2+(n-1)Q1Q12Q1nQ1Q2+(n-2)Q1RxIdD1DnDnCnCn串级直流高压发生器原理图 多级倍压电路：4800kV720kJ冲击电压发生器和2000kV30mA直流电压发生器高电压工程基础串级直流发生

11、器D1C1C1Q2Q2+Q1Q2+2Q1Q2+(n-1)Q1Q12Q1nQ1Q2+(n-2)Q1RxIdD1DnDnCnCn串级直流高压发生器原理图 减小电压脉动系数方法：1）减小串接级数；2）增加每级电容器电容；3）提高电源频率。 多级倍压电路：倍压电路的积木式叠加。7.2.2 直流高电压的试验直流高电压发生器保护电阻试品（1）直流高压试验要根据不同试品、不同的试验要求选择合适的电源容量。 一般情况下，直流高压试验所需的试验电流通常在几mA到几十mA，但是某些试品在击穿前瞬时泄漏电流还是很大，将达到安培级。这样大的泄漏电流将使设备内部产生很大压降而使试验结果不正确。应选择大容量的电源。（2）

12、保护电路 当试品放电，或者发生器输出端可能发生对地短路时，为了限制电容器柱的放电电流和流经高压硅的电流，需在试品与高压输出端之间串接一保护电阻。1. 直流高电压试验注意事项(1) 试验设备的容量较小。特别是采用电力电子变换的高频电源后，整套直流耐压试验装置的体积、重量大大减小，便于现场进行试验；(2) 在试验时可以同时测量泄漏电流，能有效地显示绝缘内部的集中性缺陷或受潮，提供有关绝缘状态的补充信息；(3) 在某种程度上带有非破坏性试验的性质，在直流高压下，局部放电较弱，不会加快有机绝缘材料分解或老化；(4) 对交流电气设备绝缘的考验不如交流试验那样接近实际情况。对于绝大多数组合绝缘来说，它们在

13、直流电压下的电气强度远高于交流电压下的电气强度，因而交流电气设备的直流耐压试验必须提高试验电压，才能具有等效性。2. 直流高电压试验的特点7.3 冲击高电压试验研究电气设备在运行中遭受雷电过电压和操作过电压的作用时的绝缘性能 。 许多高压试验室中都装设了冲击电压发生器，用来产生试验用的雷电冲击电压波和操作冲击电压波。 高压电气设备在出厂试验、型式试验时或大修后都必须进行冲击高压试验。冲击电压特性：（雷电冲击电压、操作冲击电压） 持续短、电压上升速度快、缓慢下降的暂态电压。由波头时间、波尾时间、峰值和极性来表示。高电压工程基础标准雷电冲击电压：1.2/50s标准操作冲击电压：250/2500s

14、标准雷电冲击全波采用的是非周期性双指数波。7.3.1 冲击电压发生器1. 冲击电压产生的基本原理直流电源通过R向C充电获得冲击电压波前的回路电容C通过R放电获得冲击电压波尾的回路在波前范围t=0有：冲击波为：在波尾范围t无穷：冲击波为：冲击电压发生器常用回路原理：（1）充电过程：C1向C2充电，建立电压，形成波头；（2）放电过程：当C1、C2上的电压相等时，并联对R2放电，形成波尾。波前电阻阻尼电阻放电间隙高电压工程基础（1）充电过程：由试验变压器T和高压硅堆VD构成整流电源，经保护电阻RD及充电电阻R向主电容C充电。 “电容器并联充电，串联放电”2. 多级冲击电压发生器（2）放电过程：当需要

15、启动冲击电压发生器时，可向点火球隙F1的针极送去一脉冲电压，针极和球表面之间产生火花放电，引起点火球隙放电；进而各球隙按顺序逐个放电。将电容器串联起来，对试品放电。 （球隙放电的同步性）1500kV冲击电压发生器7.3.2 截断波的产生 变压器类设备应作雷电冲击截断波试验，以模拟绝缘子闪络或避雷器动作时所形成的截断波。产生截断波原理：将一截断间隙与试品并联，调节间隙距离使之具有所需击穿电压；冲击电压发生器送出一全波，由于截断间隙的击穿，作用在被试品上的电压就是截断波。高电压工程基础7.3.3 操作冲击电压的获得（1）利用冲击电压发生器产生操作波 调节冲击电压发生器的波头、波尾电阻，可改变波头波

16、尾时间，就可以得到标准所规定的操作冲击电压。（2）利用电容器和工频试验变压器产生操作波 一组电容由直流充电至一定值，然后通过球隙G的击穿，使向试验变压器的原绕组（低压侧）放电，由电磁感应在变压器高压侧按变比产生高电压的操作波形。IEC推荐的利用工频试验变压器产生操作冲击 高电压工程基础7.3.4 陡波前冲击电压的获得 利用冲击电压发生器对电容器C1充电，然后电容器C1上的电荷通过间隙G2放电，可获得陡波前冲击电压。 电压的波头时间决定于C1-G2-R2回路尺寸以及放电间隙G2的火花形成时间。将回路封入高气压SF6气体中不仅可减小回路尺寸还可提高G2的放电电压，而获得幅值为1001000kV、波

17、头时间为0.020.1s的陡波前冲击电压。 陡波冲击电压发生器 GIS中，由于断路器投切等操作，会产生陡波前过电压，称之为快速暂态过电压VFTO，特点波前时间短(5-20ns)，有高频电压分量，幅值通常并不高。7.3.5 绝缘的冲击高压试验方法电气设备内绝缘的雷电冲击耐压试验采用三次冲击法：对被试品施加三次正极性和三次负极性雷电冲击试验电压。（1.2/50 全波）。 对变压器和电抗器类设备的内绝缘，还要进行雷电冲击截波（1.2/2 5 )耐压试验。 内绝缘冲击全波耐压试验应在被试品上并联球隙，并将它的放电电压整定得比试验电压高1520。发现绝缘内的局部损伤或故障，目前用得最多的监测方法是记录变

18、压器中性点处得电流示波图。 电力系统外绝缘的冲击高压试验通常采用15次冲击法，若击穿或闪络次数不超过2次，可认为该外绝缘试验合格。 高电压工程基础7.4 稳态高电压的测量测量：稳态高电压的幅值、波形。在测量高电压时，由于泄漏、电晕及杂散电容的存在，准确测量难度较大。用不确定度表示测量结果正确性的可疑程度。对测量结果的要求：（1）交流电压的测量，要求峰值或有效值的总不确定度在3之内；（2）直流电压的测量，要求电压算术平均值的总不确定度不超过3%，直流电压的纹波幅值总不确定度不超过10%，或脉动系数测量的不确定度应小于1%。 稳态高电压：工频交流高压、直流高压高电压工程基础利用气体放电测量交流高电

19、压，例如测量球隙。利用静电力测量高电压，例如静电电压表。利用整流电容电流或充电电压来测量高电压，如峰值电压表。利用分压器测量高电压，如电容分压器和电阻分压器。实验室中测量稳态高压常用的方法：利用电压互感器PT（ Potential transformer）和电压表实现。电力运行部门测量稳态高压的方法：高电压工程基础7.4.1 气体放电间隙1）球间隙垂直型标准测量球隙 （1）间隙距离不超过球径的1/2，可保证测量的不确定度在3%以内。用球隙测量工频电压时，应取连续三次击穿电压的平均值，相邻两次间隔时间不小于1min，击穿电压与平均值之间的偏差不大于3%。（2）用球隙测量直流电压时，球隙距离不大于

20、0.4D时，其测量不确定度在5%以内。（3）球间隙测量电压时，必须进行大气条件的修正。（4）测量时必须放电，容易引起过电压而造成被试品不必要的损伤。测量时较费时间，所需空间大。2）棒间隙 球间隙测量直流电压时会出现较大分散性（纤维、灰尘影响），IEC推荐使用棒间隙。标准棒间隙测量直流电压时，其测量不准确度在3%以内，测量方法与球间隙相同。 标况下，正、负极性的直流电压下，棒间隙10次放电电压的平均值为： 非标况：高电压工程基础7.4.2 静电电压表原理：分别带正、负电荷的导体间存在着静电吸引力，吸引力的大小与两导体间的电位差的平方成正比，测量此静电力的大小或是由静电力产生的某一极板的位移（或偏

21、转）从而反映所加电压大小。由于 因而由于静电力与电压的平方成正比，因而极板的偏转与被测电压极性无关，可测量直流电压和交流电压的有效值。静电电压表的内阻极大，测量不受试品的影响，可配合分压器测量200kV以上稳态高电压。7.4.3 利用高压电容器的测量方法1）电容器电流整流法测量交流峰值电容器电流半波整流法 2） 电容器充电电压法测量交流峰值IdRCDVA电容器充电电压法 被测交流电压经整流管D使电容充电至交流电压的幅值，如果静电电压表或微安表串联电阻测得的电压为Ud，则电压峰值： 高电压工程基础3）直流脉动电压的测量 利用高压电容与电阻串联来测量直流电压的脉动。若直流高压含有脉动电压分量Vr，

22、当脉动电压的频率为f，则电阻R两端的电压为： 也可以采用电容器电流整流法来测量直流电压脉动的幅值，其测量方法与交流峰值测量的方法相同。高电压工程基础7.4.4 高压分压器和电压表1）测量对分压器的要求分压器的分压比应为常数。分压比不应随被测电压的波形、频率、幅值、周围大气条件、安装地点的变化而改变。分压器的阻抗应足够大。分压器的接入应不影响电压波形和幅值。电容式分压器，要求承受的电压高、电容量较小。 200kV以上稳态高电压，直接用指针式仪表测量比较困难，需要分压器配合电压表。 分压器包括电容分压器和电阻分压器。 高电压工程基础2）高阻分压器和串有高阻的电流表U2U1Z1Z2高阻分压器配电压表

23、 I2U1Z1Z2AP高阻分压器配电流表电阻分压器只适用于被测电压低于100kV的情况。 为防止仪表超量程，并联保护的放电间隙或放电管P； 电阻温度系数应尽可能小。 被测电压越高，分压器本体电阻越大，对地杂散电容越大，误差（包括幅值误差和相角误差）越大。因此电阻分压器只适用于被测电压低于100kV的情况。低压臂高压臂3）电容分压器C2C1U1U2交流电容分压器 分布式电容分压器，它的高压臂有多个电容器元件串联组装而成，要求尽可能为纯电容，介质损耗和电感尽可能小。集中式电容分压器，它的高压臂使用一个气体介质的高压标准电容器。 为减小杂散电容影响，高压臂电容不能太小也不能太大（电容过大阻抗过小将影

24、响被测电路），一般100-200pF。C2采用高稳定度、低损耗、低电感量的云母、聚苯乙烯等介质的电容器。 一般来说，高压臂处于试品区、低压臂处于控制区。为防止杂散电容对测量的影响，应将低压电容屏蔽、引线采用屏蔽电缆。几-3000kV电压高电压工程基础7.5 冲击电压的测量冲击电压的测定包括：幅值测量和波形记录标准规定： 标准全波、波尾截断波以及1/5s短波，幅值的测量不确定度不超过3%; 1s以内波头截断波，其幅值的测量不确定度不超过5%，波头及波长时间的测量不确定度不超过10%。目前最常用的冲击电压的测量方法：a. 测量球隙；b. 分压器-示波器。高电压工程基础7.5.1 球间隙测量冲击电压的幅值在利用球隙测量冲击电压时的注意问题：垂直型标准测量球隙 a. 在球隙距离太小（放电电压50kV以下），或者球隙直径太小（小于12.5cm）时，为减小分散性，应对球隙进行照射。b.为球隙击穿时保护试品，需要加入串联保护电阻（不大于500的无感电阻）。高电压工程基础（1）多级法 以预期的50%放电电压的23%作为电压级差，对被试品分级施加冲击电压，每级