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1、第2篇电气绝缘与高电压实验第1页，本讲稿共57页第五章 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。第2页，本讲稿共57页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：第3页，本讲稿共57页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
2、 绝缘的工频耐压试验第4页，本讲稿共57页 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 工频高电压的产生第5页，本讲稿共57页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
3、，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。第6页，本讲稿共57页 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，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第7页，本讲稿共57页 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：Ps=U2C式中 U 试验电压，kV；C 试样电容，F；Ps 变压器容量，VA。第8页，本讲稿共57页变压器绕组方式：（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
4、圈串联组成。图5-1圆盘形绕组第9页，本讲稿共57页（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 圆筒形绕组第10页，本讲稿共57页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
5、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。第11页，本讲稿共57页图5-3 由单高压套管变压器元件组成的串级变压器示意图第12页，本讲稿共57页 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为低压绕组，2为高压绕组，3为供给下一级激磁用的串级激磁绕组。第13页，本讲稿共57页 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+
6、U3I3=2U2I2；T1的容量为：P1=3U2I2第14页，本讲稿共57页 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 (5-1)串级装置的输出额定容量为 Pn=3 U2I2 (5-2)第15页，本讲稿共57页因而装置的容量利用率为 =Pn/P=1/2 (5-3)同理推出n级串联装置的容量利用率为 (5-4)显然，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。式中：n串级装置的级数。第16页，本讲稿共57页3.试验变压器的调压 试验变压器的电压必须
7、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。第17页，本讲稿共57页 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，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
8、）。第18页，本讲稿共57页 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。第19页，本讲稿共57页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。第20页，本讲稿共57页 由于原边电源电压和变压器励磁
9、电流中的谐波可能激发不同频率的固有振荡，从而导致变压器副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。第21页，本讲稿共57页 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第22页，本讲稿共57页 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在预定的电压值击穿时，由L1和C1组成的原边调谐
10、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）线圈电路图第23页，本讲稿共57页 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。第24页，本讲稿共57页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
11、峰值，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。第25页，本讲稿共57页 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。第26页，本讲稿共57页 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
12、变压器的初级（P1P2端）或由附加的测量绕组（P3P4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 一高压试验变压器第27页，本讲稿共57页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。第28页，本讲稿共57页 直径更大的球
13、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一高压球的放电点 R一球隙保护电阻第29页，本讲稿共57页 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 第30页，本讲稿共57页 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
14、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0.70.750.80.850.90.951.01.051.10修正系数ki0.720.770.810.860.910.951.01.051.09第31页，本讲稿共57页2.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第32页，本讲稿共57页(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 当
15、 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Um，有下述关系(5-6)式中 C 电容器的电容量；被测电压的频率。第33页，本讲稿共57页(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(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。第34页，本讲稿共57页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5-9)，测量此
16、静电力的表计称为静电电压表。测量精度在 3以内。3.静电电压表图5-9平板电极间的电场和静力吸力第35页，本讲稿共57页 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 静电电压表第36页，本讲稿共57页 (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：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
17、，故电极所受到的作用力可表示为：(5-9)第37页，本讲稿共57页若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)第38页，本讲稿共57页 (5-13)上式中U,l,S 的单位分别为kV,cm,cm2，由（5-13）得 (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=(5-12)第39页，本讲稿共57页 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
18、等级不太高的试验，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。第40页，本讲稿共57页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 第41页，本讲稿共57页 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 ，两电容上的压降分别为 和 ，这里 ，又 (5-15)(5-16)所以有 (5-17)第42页，本讲稿共57页 使大部分电压降在C1上，从而实现用低压仪表测量高压的目的。对于分压器，要求K是常数，不
19、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。称为分压比。显然只要 ，那么 ，第43页，本讲稿共57页 电容分压器中，要求C1的电容量很小，但又能承受很高的电压。对电容分压器中C2的要求是电容量较大而承受电压较低，因此C2应采用高稳定度、低损耗、低电感量的云母、空气或聚苯乙烯介质的电容器；电容量根据分压比和低压仪表的量程确定。第44页，本讲稿共57页 实际的电容分压器有两种主要形式：一种称为分布式电容分压器，它的高压臂由多个电容器元件串联组装而成，要求每个元件尽可能为纯电容，介质损耗和电感尽可能小；另一种称为集中式电容分压器
20、，它的高压臂使用一个气体介质的高压标准电容器，气体介质常采用N,CO2,SF6及其混合气体，目前我国已能生产1200kV的高压标准电容器。第45页，本讲稿共57页 交流高压的测量有时也使用电阻分压器，但由于对地杂散电容的作用，不但会引起幅值误差，还会引起相位误差。被测电压越高，分压器本体电阻值越大，对地杂散电容越大，引起的误差也越大。因此电阻分压器只适用于被测电压低于100kV的情况。第46页，本讲稿共57页5.1.3 绝缘的工频耐压试验 工频交流耐压试验是检验电气设备绝缘强度的最有效和最直接的方法。它可用来确定电气设备绝缘耐受电压的水平，判断电气设备能否继续运行，是避免其在运行中发生绝缘事故
21、的重要手段。工频耐压试验时，对电气设备绝缘施加比工作电压高得多的试验电压，这些试验电压反映了电气设备的绝缘水平。耐压试验能够有效地发现导致绝缘抗电强度降低的各种缺陷。第47页，本讲稿共57页1.工频高压试验的基本接线图 以试验变压器或其串级装置作为主设备的工频高压试验（包括耐压试验）的基本接线如图5-12所示。试验变压器的输出电压必须能在很大的范围内均匀地加以调节，所以它的低压绕组应由一调压器来供电。图5-12 工频高压试验的基木接线图AV一调压器 PV1一低压侧电压表 T一工频高压装置R1一变压器保护电阻 TO一被测试品 R2一测量球隙保护电阻PV2一高压静电电压表 F一测量球隙 Lf一Cf
22、一谐波滤波器第48页，本讲稿共57页 工频耐压试验的实施方法如下：按规定的升压速度提升作用在被测试品TO上的电压，直到等于所需的试验电压U为止，这时开始计算时间。为了让有缺陷的试品绝缘来得及发展局部放电或完全击穿，达到U后还要保持一段时间，一般取一分钟就够了。如果在此期间没有发现绝缘击穿或局部损伤（可通过声响、分解出气体、冒烟、电压表指针剧烈摆动、电流表指示急剧增大等异常现象作出判断）的情况，即可认为该试品的工频耐压试验合格通过。第49页，本讲稿共57页试验中常用的调压供电装置有下列几种：自耦调压器移卷调压器感应调压器电动一发电机组第50页，本讲稿共57页2.试验中需注意的问题(1)防止工频高
23、压试验中可能出现的过电压 在工频高压试验中，大多数试品是电容性的。当试验变压器施加工频高压时，往往会在试品上产生“容升”效应，也就是实际作用到试品上的电压值会超过高压侧所应输出的电压值。另外，对初级绕组突然加压，而不是由零逐渐升高电压。或者，当输出电压较高时突然切断电源，都有可能由于过渡过程而在试验回路中产生过电压。第51页，本讲稿共57页 防止产生这种过电压的办法是在变压器出线端与被测试品之间串接一适当阻值的保护电阻，它的作用是：保护电阻的数值不宜太大或太小，阻值太小短路电流过大，起不到应有的保护作用；阻值太大会在正常工作时由于负载电流而有较大的电压降和功率损耗，从而影响加在被测试品上的电压
24、值。限制短路电流阻尼放电回路的振荡过程第52页，本讲稿共57页(2)试验电压的波形畸变与改善措施 在进行工频高压试验中，有些测量电压的仪表，所测得的是电压的有效值，不少电气产品的试验，也只提出电压有效值的要求。而工频放电（或击穿）一般决定于电压的幅值。第53页，本讲稿共57页 当波形畸变时，电压幅值与有效值之比不再是 。此时若根据有效值乘 来求幅值，就会造成较大的试验误差。造成试验变压器输出波形畸变的最主要原因是由于试验变压器或调压装置的铁芯在使用到磁化曲线的饱和段时，励磁电流呈非正弦波的缘故。由于输入电源电压的波形本身不标准也会造成电压波形的畸变。第54页，本讲稿共57页 如图5-13为改善
25、工频试验变压器输出波形的一种常用方法。在变压器原边绕组并联一个LC串联谐振回路。图5-13 试验变压器原边并联LC谐振回路以改善波形第55页，本讲稿共57页 若主要需减弱三次谐波，则LC回路可按 来选择其参数，为基波角频率，即50Hz。这样使励磁电流中的三次谐波分量有了短路回路，可保证输出电压基本上为正弦波。若还存在五次谐波分量，则可再并联另一个LC串联谐振回路，并按 来选择其参数，滤波电容一般可选取C=610F。第56页，本讲稿共57页小 结（本节完）本节主要介绍了工频高电压的产生方法及其装置。当所需试验电压很高时，常采用串级装置来产生所需高压。工频高电压试验的基本接线图和实施方法。第57页，本讲稿共57页