稳态高电压试验设备培训教材

第一篇

稳态高电压试验设备第一章交流高电压试验设备主要内容概述单级试验变压器的结构形式及主要参数串级高压试验变压器高电压试验变压器的调压装置试验变压器输出电压的升高及波形畸变交流高压串联谐振试验设备1概述1概述高压试验变压器的目的高压试验变压器的作用高压试验变压器的特点试验变压器与电力变压器的差异试验变压器的工作接线保护电阻R的作用及选取原则

用于产生工频高电压，使之作用于被试电气设备的绝缘上，以考验其在长时的工作电压及瞬时的内过电压下的绝缘能力。1.1高压试验变压器的目的交流高电压试验设备主要指高电压试验变压器（TestingTransformer）。产生工频试验电压检验电气设备在长时的工作电压及瞬时的内过电压下的绝缘能力。研究气体绝缘间隙、电晕损耗、静电感应、长串绝缘子的闪络电压等。作为直流高压和冲击高压设备的电源变压器产生操作试验电压1.2高压试验变压器的作用1.3高压试验变压器的特点1.电压高、变比大；2.采用较厚绝缘和间隙距离。漏磁通和短路阻抗大；3.在大电容负载条件下有容升效应；4.体积和容量超过按额定电压的三次方增加；5.一般是单相的。1.负荷类型：试验变压器多工作在容性负荷下，而电力变压器一般工作在感性负载下。2.容量大小：试验变压器电压高、容量小、漏抗大，串级式试验变压器漏抗更大，而电力变压器容量大、漏抗小。3.运行状况：试验变压器工作时，经常要放电；电力变压器正常运行时，发生事故短路的机会不多。1.4试验变压器与电力变压器的差异4.运行条件：电力变压器运行中可能受到大气过电压和操作过电压的侵袭，而试验变压器只是在试品放电时，绕组上可能产生梯度过电压。5.运行时间：试验变压器持续工作时间短，额定电压下满载运行时间更短（电气设备的耐压试验常为1分钟工频耐压）。而电力变压器可以持续满载运行。

6.散热装置：试验变压器工作温升低，无复杂的环冷系统。而电力变压器温升高，均带有风冷甚至强迫油循环冷。1.4试验变压器与电力变压器的差异试验变压器与电力变压器的试验电压比较试验变压器的绝缘裕度小，设计温升较低，在额定功率下只能作短时运行。电压等级 试验电压50kV-250kV 高于额定电压25kV；≥300kV 比额定电压高10%；额定电压(kV)最高工作电压(kV)交流试验电压值(kV)操作波试验电压值(kV)1011.535603540.5851706672.5140270110126.0200375220252.0360750330363.0510950500550.06801175试验变压器耐压试验电压电力变压器耐压试验电压1.5试试验变压器器的工作接接线T1-调压器；； T2-试验变压器器； R-保保护电阻；C0-试品(a)试验验变压器试验验接线(b)试试验接线等等效电路T1-调压器；T2-试验变压器器； R1-变压器保护护电阻；G-测量铜球球； R2-测量铜球保保护电阻1.5试验验变压器的工工作接线本接线具有测测量铜球及保保护电阻，现现在已不常用用。具有测量铜球球及保护电阻阻的试验变压压器接线图1.6保保护电阻R的的作用及选取取原则保护电阻R的的作用防止试品放电电时所产生的的电压截波对对试验变压器器绕组绝缘的的损伤；限制试品放电电的过电流；；阻尼CT（变压器入口口电容）和C0间的振荡；抑制试品闪络络时的恢复过过电压。保护电阻R的的选取原则阻抗按0.1Ω/V取，，（不超过100kΩ））由金属电阻阻丝或水电阻阻构成。长度度按150～～200kV(r.m.s)/m选选取。2单级高电电压试验变压压器的结构型型式及主要参参数高压试验变压压器的结构型型式全绝缘和半绝绝缘试验变压压器绝缘壳式试验验变压器试验变压器的的主要参数试验变压器的的额定电压和和额定容量常见试品电容容量试验变压器容容量的计算方方法试验变压器的的补偿试验方方法各种试验对试试变容量、电电流的要求高压试验变压压器大多采用用油浸式变压器2.1高压压试验变压器器的结构型式式（a）全绝缘试验变压器（b）半绝缘试验变压器全绝缘（单套套管）试验变变压器特点：：输出高压对壳壳绝缘，承受受全部高压，，试验变压器器高压绕组对对壳为全部绝绝缘。需一支支套管承受；；单套管和双套套管试验变压压器(b)半绝缘缘（双套管））试验变压器器特点：具有两只输出出高压套管，，高压绕组对对壳绝缘为全全输出高压的的一半。外壳壳对地绝缘。。金属壳式试试变特点：具有套管管、重量重重、额定容容量大。(a)试试验相（对对地）绝缘缘（（b）试试验相间绝绝缘单套管和双双套管试验验变压器的的试验接线线铁心原边、激磁磁绕组副边绕组均压层接地箱体高压套管绝缘壳高压电极绝缘壳式试试验变压器器试变以绝缘缘壳作为容容器和外绝绝缘、无套套管铁心须须绝缘支撑撑。绝缘壳式试试变特点：：无套管（以以壳作外绝绝缘），重重量轻、尺尺寸小、额额定容量小小（散热差差）、易受受潮。绝缘壳式试试验变压器器2.2试试验变压器器的主要参参数试验变压器器的额定电电压和额定定容量额定电压/kV51025355010015025030050075010001500额定容量/kVA3333510252503003007501000750555510255050012005001500200015001010101025501001000100030002525255010015015005050100200300100250250150500400200750常见试品电电容量试品名称电容值/pF线路绝缘子(insulator)<50高压套管(bushing)50～600高压断路器，电流互感器，电磁式电压互感器(circuitbreaker,CT,PT)100～1000电容式电压互感器(capacitivepotentialtransformer)3000～5000电力变压器(powertransformer)1000～1500电力电缆（1m）(powercable)150～400GIS(gasinsulatedswitchgear)1000～10000已知：U—试试品应加加的试验电电压（kV.eff）C—试试品的电电容量（pF）W—试试验电压压角频率试验电流:试变容量：试验变压器器容量的计计算方法在对试品进进行试验前前，需对试试验变压器器的容量进进行计算，，确定变压压器容量是是否满足试试验要求。。对大电容值值试品，试试变容量不不够时，可可采用补偿偿，如在高高压侧和容容性试品并并联电感线线圈。试变容量：但电感的投投入增加了了成本，波波形也有畸畸变。试验变压器器容量的补补偿实验方方法固体、液体体或二者组组合绝缘小小样品干试试验：短路电流约约为0.1A（eff）；自恢复绝缘缘设备试验验：短路电流（（干）≥0.1A（（eff））；短路电流（（湿）≥0.5A（（eff））；淋雨闪：短短路电流≥≥0.7A（峰）。。人工污闪：：短路电流流≥15A。各种试验对对试变容量量、电流的的要求3.串级级试验变压压器串级变压器器的基本原原理及串级级方式降低试验变变压器短路路电抗的内内部结构措措施自耦式串级级试验变压压器短路电电抗计算自耦式串级级试验变压压器的外形形及结构串级试验变变压器的优优缺点3.1串串级变压器器的基本原原理及串级级方式高电压等级级试验变压压器面临的的问题成本机械强度绝缘运输和安装装解决办法：：采用串级变变压器(cascadedtransformer)，即多台台单级试验验变压器串串接。3.1.1具有绝绝缘变压器器的串级试试验变压器器通过绝缘变变压器供给给励磁电流流的串级变变压器具有绝缘变变压器的串串级试验变变压器特点点T1、T2、T3为3台相同同的（升压压）试变；；另有3台绝绝缘变压器器，给T2、T3供电，变比比为1：1所以只起绝绝缘作用，，其原、副副边绕组间间能绝缘U2电压缺点：级数数增多时，，需很多变变压器，投投资增加，，面积增大大。优点：3台台试变容量量相同，可可流经较大大电流（几几A电流））。T1、T2、T3的低压绕组组直接接到到U1上（低压电电源线）；；6台变压器器的每台内内绝缘和套套管绝缘为为U2；变压压器器外外壳壳和和铁铁心心带带有有相相同同电电位位，，试试变变外外壳壳和和绝绝缘缘变变压压器器外外壳壳之之间间有有U2的电电位位差差，，所所以以支支柱柱绝绝缘缘子子隔隔离离。。3.1.2自自耦耦式式串串级级试试验验变变压压器器3级级自自耦耦式式串串级级试试验验变变压压器器接接线线图图自耦耦式式串串级级试试验验变变压压器器特特点点①高高一一级级变变压压器器的的励励磁磁电电流流由由前前面面一一级级变变压压器器供供给给。。T3容量：：U2I2T2容量：：2U2I2=U2I2（负荷荷）+U2I2（T3励磁））T1容量：：3U2I2=U2I2（负荷荷）+2U2I2（T2励磁））输出电电压：：3U2，电流流I2，功率率：3U2I2③电压压分布布T1：内、、外（（套管管）绝绝缘：：U2T2：内、、外（（套管管）绝绝缘：：U2，支柱柱绝缘缘：U2T3：内、、外（（套管管）绝绝缘：：U2，支柱柱绝缘缘：2U2②装置利用率W试=3U2I2=3WW装=U2I2+2U2I2+3U2I2=6Wη＝W试/W装=0.5n级时：自耦式式串级级试验验变压压器特特点双套管管变压压器组组成的的串级级试验验变压压器1-低低压绕绕组；；2-高压压绕组组；3-励励磁绕绕组；；4-屏蔽蔽帽5-铁芯；；6-外铁壳；；7-高压压套管；8-支支持绝缘子子分析析工工作作原原理理及及各各点点电电位位分分布布分析析结结构构，，注注意意平平衡衡绕绕组组双套套管管变变压压器器组组成成的的串串级级试试验验变变压压器器2））负负荷荷为为容容性性时时，，容容性性电电流流导导致致容容升升现现象象（（后后述述））；；1））影影响响试试验验变变压压器器的的短短路路电电流流和和短短路路容容量量；；一般般：：单单级级试试变变xe：4.5～～9%，，3台台串串级级试试变变xe：22～～40%。。3.2降降低低试试验验变变压压器器短短路路电电抗抗的的内内部部结结构构措措施施短路路电电抗抗(short-circuitimpedance)的的不不利利影影响响(a)原、付绕组在同一铁芯柱(b)原、付绕组在两个铁芯柱Φ1：原原边边漏漏磁磁，，ΦΦ2：付付边边漏漏磁磁(a)ΦΦ1：原原边边漏漏磁磁，，ΦΦ2：付付边边漏漏磁磁，，漏漏磁磁通通ΦΦ1、ΦΦ2有抵抵消消趋趋势势。。(b)ΦΦ1、ΦΦ2不能能抵抵消消，，所所以以漏漏磁磁通通较较大大。。3.2.1漏漏磁磁通通决决定定漏漏电电抗抗（（短短路路电电抗抗））3.2.2减减小小漏漏磁磁通通措措施施——平平衡衡绕绕组组1)平衡绕绕组的结构左右平衡绕组组匝数相同，，且与低压绕绕组匝数相同同。NP1=NP2=N1平衡绕组同名名端相连;平衡绕组电流流不会产生磁磁通；主磁通在平衡衡绕组中不会会产生电流（（NP1·I=NP2·I）;NP1、NP2交链磁通不相相等时，绕组组中才流过电电流。2)平衡绕绕组作用3.2.2减减小漏磁通通措施—平平衡绕组Φ1，Φ2：原、副边漏漏磁通，ΦΦP1，ΦP2：平衡绕组磁磁通平衡绕组作用用ΦP1与Φ1，ΦP2与Φ2有抵消作用。。使有平衡绕绕组的漏磁比比没有时大为为减小，所以以总短路电抗抗减小。绕组2流过负负载电流I2，绕组1流过过电流I1。N1I1≈N2I2；原、副边自身身交链磁通为为Φ1和Φ2；Φ1和Φ2在平衡绕组感感生平衡电流流IP,NP1IP≈N1I1，NP2IP≈N2I2；3.3自耦耦式串级试验验变压器短路路电抗计算3.3.2短短路电抗的的测量由（a）、（（b）、（c）得3.3.3串串级试验变变压器短路电电抗计算U1’—低压压侧电压归算算到串级变压压器高压侧值值；NH—高压绕组组匝数；NL—低压绕组组；xe—归算则高高压侧的总等等值短路电抗抗值；三级自耦串级级变压器等效效电路三级自耦串级级变压器等效效电路3.3自耦耦式串级试验验变压器短路路电抗计算3.3.3串串级试验变变压器短路电电抗计算对于n级试变变：等值前后的短短路电抗上的的无功功率相相等串级试验变压压器的总等效效短路电抗随随级数n的增增加而显著增增加，一般试试验变压器级级数不大于4。3.3自耦耦式串级试验验变压器短路路电抗计算3变压器相同同，所以3.4自耦耦式串级试验验变压器的外外形及结构结构形式均压措施3.5串级级试验变压器器的优缺点每级变压器电电压不太高，，绝缘结构制制作方便，价价格便宜，运运输安装方便便；可以改接线，，作三相试验验；低试验电压压时，可用用其中1～～2台；每台可分开开单独使用用；坏了一台，，其它几台台可继续使使用，减小小损失。装置利用率率低；短路阻抗随随级数增加加而显著增增加，一般般n≤4；；发生过电压压时，各级级间瞬态电电压分布不不均匀，可可能发生套套管闪络及及励磁绕组组中的绝缘缘故障。串级试验变变压器优点点串级试验变变压器缺点点4高电压压试验变压压器的调压压装置对调压的基基本要求：：调压要从零零开始，均均匀平滑。。放电电压的的前75%，可较快快速度上升升，在后25%应控控制升压不不超过放电电电压的2%/秒。。经调压器输输出的电波波形应得到到为正弦波波。调压设备的的漏抗应尽尽可能小，，这是因为为电压波形形畸变程度度随试变和和调压设备备的漏抗增增加而增加加。调压应处于于稳定工作作状态。4高电压压试验变压压器的调压压装置调压设备(Variabletransformer)的分类类：4.1自自耦调压器器特点：漏抗小、波波形畸变小小，功率损损耗小，价价格便宜。。因滑动触头头发热，容容量受到限限制，一般般≤20kVA。。（油绝缘缘型为50kVA至至数百kVA）。原理：利用滑动碳碳刷触头或或滚动触头头改变变压压器二次侧侧匝数，从从而实现调调压。自耦调压器器原理图4.2移移卷式调压压器移圈式调压压器结构C、D主绕绕组、绕向向相反；K：短路绕绕组，C、、D、K匝匝数相等。。主磁通ΦC、ΦD方方向相反，，各自经非非导磁材料料自成闭合合回路。4.2移移卷式调压压器4.2.1移圈调调压器原理理①绕组K在最下端端ΦC全部交交链K→→K产生生感生电动动势→产产生ΦK抵消ΦC→C绕组电压压≈0。②绕组K在在最上端同理：ΦD全部链交交链K→→K产生生感生电流流→产产生ΦK抵抵消ΦD→→D绕绕组电压≈≈0。③绕组K处处于C、D的正中央央时ΦC、ΦD在K中产产生的感生生电动势大大小相等，，方向相反反→K中无电流流→相相当于不存存在K。4.2移移卷式调压压器4.2.2移卷式式调压器的的短路电抗抗对具有辅助助线圈E的的移卷式，，其短路电电抗Xs为：Xs=XC-E+XD。4.2移移卷式调压压器4.2.3移卷式式调压器的的特点调压器短路路电抗大，，减小了工工频高压试试验的短路路容量;短路电抗为为变值，使使得调压过过程中试验验回路系统统可能串联联谐振，形形成过压事事故;移卷式的主主磁通经过过非导磁材材料，磁阻阻大，空载载电流大，，为1/4～1/3I额;铁芯不不易饱饱和，，使畸畸变减减小，，但xk大，输输出电电流在在xk上产生生压降降，也也会使使畸变变增加加；无滑动动触头头，容容量较较大（（几十十～几几千kVA）；；可做成成三个个铁芯芯，当当作三三相或或单相相自由由使用用；体积较较大。。4.3电电动发发电机机组由电动动机带带动同同步发发电机机的转转子旋旋转，，调压压发电电机的的励磁磁电流流来调调节发发电机机的输输出电电压。。4.3电电动动发发电电机机组组电动发电电机组调调压须注注意的问问题：①为使使输出出为正正弦波波，发发电机机位置置特殊殊设计计的正正弦波波发电电机。。④拖动电动机功率⑤容容性性负负荷荷高高压压试试验验时时，，易易自自激激。。②使使用用双双电电位位计计调调节节励励磁磁，，清清除除剩剩磁磁影影响响，，调调压压从从零零开开始始。。③一一般般为为单单相相发发电电机机，，有有时时为为三三相相发发电电机机、、三三相相应应满满足足单单相相运运行行时时的的功功率率要要求求。。5试试验验变变压压器器输输出出电电压压的的升升高高及及波波形形畸畸变变试验验变变压压器器输输出出电电压压的的升升高高容性性试试品品上上的的电电压压升升高高串联联谐谐振振过过电电压压试品品闪闪络络引引起起的的恢恢复复过过电电压压试验验变变压压器器的的波波形形失失真真及及改改善善措措施施试验验变变压压器器的的波波形形要要求求试验验变变压压器器的的波波形形失失真真及及改改善善措措施施调压压器器及及电电源源波波形形失失真真及及改改善善措措施施5.1试试验验变变压压器器输输出出电电压压的的升升高高5.1.1容容性性试试品品上上的的电电压压升升高高（（容容升升））用试试验验变变压压器器作作工工频频高高压压试试验验时时，，实实际际作作用用到到试试品品上上的的电电压压值值超超过过按按变变比比高高压压侧侧所所应应输输出出的的电电压压值值。。容升升概概念念：：“容容升升””原原理理及及测测量量误误差差分分析析:5.1试试验验变变压压器器输输出出电电压压的的升升高高5.1.1容容性性试试品品上上的的电电压压升升高高（（容容升升））“容容升升””原原理理及及测测量量误误差差分分析析:C0越大大，，xk越大大，，容容升升效效应应越越明明显显；；对电电压压大大于于100kV试试变变，，具具有有测测量量绕绕组组。。“容容升升””原原理理及及测测量量误误差差分分析析:加入入测测量量绕绕组组，，减减小小漏漏抗抗影影响响；；即使使有有测测量量绕绕组组，，误误差差仍仍不不可可避避免免，，特特别别是是串串级级试试变变，，其其各各高高压压绕绕组组电电压压分分布布不不均均，，其其测测量量误误差差较较大大;在一一定定的的试试品品下下应应作作出出测测量量绕绕组组电电压压与与输输出出高高压压之之间间的的校校正正曲曲线线。。5.1.1容容性试试品上上的电电压升升高（（容容升））5.1.2串串联谐谐振过过电压压串联谐谐振过过电压压产生生原因因:试品并并接球球隙进进行保保护，，使球球隙闪闪络电电压升升高于于试验验电压压来限限制可可能的的过电电压。。由于移移圈式式调压压器的的漏抗抗与调调压器器输出出电压压有关关，所所以试试验时时，在在升压压过程程中，，变压压器及及调压压器的的漏抗抗可能能与负负荷电电容形形成串串联谐谐振，，产生生过电电压。防止措措施：：5.1.3试试品闪闪络引引起的的恢复复过电电压交流试试验装装置等等效电电路在工频频试验验过程程中，，由于于试品品闪络络后电电弧的的熄弧和间隙多多次重重燃引起的的过电电压。。衰减系系数：：固有振振荡角角频率率：：产生恢恢复过过电压压原因因试品在在输入入电压压正半半波发发生闪闪络；；电压重重零重重新建建立；；建立的的负半半波电电压高高，超超过正正常电电压；；在下一一正半半波可可发生生多次次闪络络；在下一一负半半波建建立更更高恢恢复电电压。。试变输输出：：建立方方程：：若第一一次闪闪络t0时刻出出现在在UC的峰值值，因因相差差关系系，i=0（i超前）。所以以维持闪络的的电弧的能源源仅为电容C上的电荷，，不足以维持持电弧所需水水平，电弧熄熄灭。因此，，电容上建立立恢复电压U0-1。产生恢复过电电压原因即：调节球隙闪络络电压稍高于于试品放电电电压；适用于于试验电压较较低的室内试试验。防止试品闪络络的恢复过电电压的措施1、用球隙与与试品相并联联以限制过电电压值。2、试验变压压器原边绕组组串联阻尼电电阻防止试品闪络络的恢复过电电压的措施作用是阻尼暂暂态恢复电压压，价廉，但但最佳阻尼电电阻值随试验验条件（负荷荷电容）而变变，电阻耗能能，影响波形形。（不常采用）A、阻尼作用用（阻尼过电电压）B、限流（限限闪络电流））；C、延长电容容储能所向闪闪络通道放电电的时间，以以使工频电流流来得及增长长到维持电弧弧处于导电状状态，避免电电弧熄灭；D、主要作用用：防止试品品闪络所造成成的截波对试试变纵绝缘所所产生和梯度度过电压的作作用（R，CT共同作用，把把陡波削平））。防止试品闪络络的恢复过电电压的措施3、试变高压压侧绕组串联联电阻4、试变原边边并联高速保保护开关试变副边闪络络，通过du/dt的大大小反馈控制制与原边并联联的可控硅，，短路原边输输入。电压的的闪络电压没没有多次重燃燃和熄灭，因因而有效限制制了试品闪络络后的恢复过过电压。防止试品闪闪络的恢复复过电压的的措施5.2试试验变压器器的波形失失真及改善善措施5.2.1试验变变压器的波波形要求（1）工频频放电取决决于电压的的幅值；有有效值定义义为：（2）试验验电压的高高次谐波会会使有机绝绝缘材料的的介损损耗耗增加，绝绝缘过热，，耐压降低低。频率要求：： GB/T16927.1《高高电压试验验技术》GB/T15945－95《《电力系统统频率允许许偏差》电压要求：： GB12325－90《《供电电电压允许许偏差》谐波要求：： GB/T14549－93《公用用电网谐波波》。a、变压器器的空载电电流即激磁磁电流因铁铁心磁化曲曲线的非线线性，而使使得正弦电电压时的励励磁电流i。为非正弦弦即为一尖尖顶波形，，含有3次次及高次谐谐波。b、负载时时，负载电电流较大，，但其中的的激磁电流流仍未有多多少变化（（≈i0），而负载载分量则为为正弦的，，以平衡负负载磁势，，所以负载载越大，原原方电流越越为正弦。。试变励磁电电流中的高高次谐波造造成的电压压波畸变原因分析：：a、大部分分试品为容容量不大的的容性试品品。所以试试变可认为为近似于空空载状态下下运行，即即试变原边边电流i为非正弦的的尖顶波。。b、因调压压器漏抗的的影响有漏漏抗压降U3式中U1为正弦，，U3为非正弦，，所以U1’也为非正正弦，因此此输出U2亦非正弦。。试变励磁电电流中的高高次谐波造造成的电压压波畸变原因分析：：c、、磁磁通通饱饱和和程程度度↑↑，，畸畸变变↑↑;d、、i0非正正弦弦直直接接原原因因在在于于试试变变铁铁心心使使用用到到磁磁化化曲曲线线的的饱饱和和段段。。试变变励励磁磁电电流流中中的的高高次次谐谐波波造造成成的的电电压压波波畸畸变变2、、消消除除或或减减弱弱畸畸变变措措施施：：在试变变原边边并联联L-C串串联谐谐振回回路，，使谐谐波短短路。。试变励励磁电电流中中的高高次谐谐波造造成的的电压压波畸畸变3次谐谐波：：5次谐谐波：：移圈及及正弦弦波发发电机机，铁铁心是是线性性的。。而感应