电气设备绝缘的高电压试验ppt课件.ppt

高电压工程基础,第七章 电气设备绝缘的高电压试验,任课教师：赵 彤,山东大学电气工程学院,高电压工程基础,电力系统中的电气设备，其绝缘不仅经常受到工作电压的影响，还会受到诸如大气过电压和内部过电压的侵袭。为了考验其在长时间的工作电压及瞬时的过电压下是否能可靠工作，电气设备的出厂、安装调试或者大修后需要进行各种高电压试验。,耐压试验（破坏性试验）：对绝缘考验严格，能保证绝缘具有一定的绝缘水平；缺点是只能离线进行，并可能因耐压试验对绝缘造成一定的损伤。,一、交流高电压试验二、直流高电压试验三、冲击电压试验四、稳态高电压的测量五、冲击电压的测量,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,高电压工程基础,工频耐压试验是在电气设备上施加规定的工频试验电压并保持一定的时间，以考察绝缘能否耐受该试验电压的作用。工频耐压试验能有效发现绝缘中危险的集中性缺陷。是检验电气设备绝缘强度最有效和最直接的方法。试验电压的选择要考虑到运行中绝缘的老化及累积效应。试验电压持续时间常用1min。,高电压工程基础,交流绝缘试验应采用频率为45Hz65Hz的交流电压。交流电压的特性主要以峰值、有效值、波形畸变率、波顶系数等来表示，试验时电压波形的畸变应尽可能小。交流高压的产生通常采用工频试验变压器，但对于一些特殊试品，如变压器的感应试验，采用频率不超过500Hz交流电压；对于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的高频交流电压等等。,7.1.1 工频高电压的产生,高电压工程基础,工频高电压的产生一般采用工频高压试验变压器，它是高压试验室最基本的、不可缺少的设备之一。工频高电压试验变压器的作用在于产生工频高电压，使之作用于被测试电气设备的绝缘上，以考查被测试电气设备在长时间的工作电压及瞬时的内过电压下是否能可靠工作。此外，它也是试验研究气体绝缘间隙、电晕损耗、静电感应、长串绝缘子的闪络电压以及带电作业等必需项目的高压电源设备。,1、工频高压试验对试验设备的要求,高电压工程基础,R1 保护电阻，限制试品放电时产生的过电压和过电流，从而保护试验变压器，一般取0.1-1 /V;,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,被试品,R2 球隙保护电阻，一般取0.1-0.5 /V。,工频试验变压器的特点：,高电压工程基础,(1) 工作电压高，调节范围广，一般为单相。由于工频高压试验通常用于代替雷电过电压或者内部过电压来考核电气产品绝缘性能，或进行绝缘击穿试验，因此试验变压器电压很高。,(2) 电压波形应该是正负半波对称的正弦波形，频率在4555Hz范围内，电压的有效值等于幅值除以波顶系数。对于调压装置，应能够按所要求的速度连续、平稳地调节电压。,高电压工程基础,(3) 在大部分高压试验里，试验变压器的连续工作时间不长，而在额定电压下满载运行的时间更少，这比长期处于满载下工作的电力变压器的运行情况要好得多。试验变压器的容量不大，所以设计时采用较小的安全系数，在额定电压下只能作短时运行，对特高压的试验变压器，只有在2/3的额定电压下才能长期运行。,(4) 使用时间有限。通常为间歇工作方式，所以散热能力小，对应于不同的电压电流负荷，有不同的允许持续工作时间。,高电压工程基础,(6) 试验变压器在工作时经常要放电；而电力变压器在正常运行时，发生短路事故的机会不多，即使发生，继电保护装置也会立即将电源跳开。,(7) 为减小对局部放电试验的干扰，要求试验变压器自身的局部放电电压足够高。,(5) 电力变压器在运行中可能受到雷电过电压及操作过电压的侵袭；而试验变压器并不会受到过电压作用，绝缘裕度低，安全系数小。,耐压试验对试验变压器的要求：,高电压工程基础,高压绕组的额定电压应不小于被试品的试验电压值。额定容量不小于由被试品试验电压及试验电压下流过被试品的电流决定的被试品容量，在被试品击穿或闪络后能短时维持电弧。,试品大多数为电容性，故当知道试品的电容量及所加的试验电压时，便可计算出试验电流与试验容量：,高电压工程基础,式中 U 被试品的试验电压，kV(有效值)； C 被试品的电容，pF； 所加电压的角频率。,2、串级试验变压器,高电压工程基础,目前单个变压器的额定电压很少超过750kV，当需要更高电压等级的试验变压器时，常用几台变压器串接的方式，使几台变压器的二次侧绕组的电压相叠加，从而使单台变压器的绝缘结构大大简化。常用的串级方式为自耦式串级变压器，后级变压器的励磁电流由前级变压器供给。,1- 低压绕组 2-高压绕组 3-串级励磁绕组,输出的额定电流：I2（A）每一级变压器高压侧绕组的额定电压：U2（kV）装置输出的额定电压：3U2,高电压工程基础,在串接装置中，各试验变压器高压绕组的容量是相同的，设为W，各低压绕组和串级励磁绕组的容量不同。低压绕组的容量为串级励磁绕组和高压绕组的容量和。T3的容量为W；T2的容量为2W；T1的容量为3W。可见，随着试验变压器串接台数的增加，利用率降低，实际中，串接的试验变压器台数一般不超过三台。,3、调压装置,高电压工程基础,为了防止高压端出现异常电压，一次侧电压投入应尽可能从低电压开始，逐渐升高至试验电压值。通常在高压试验变压器的前级选配合适的调压器，借助调压器进行电压调整，使高压试验变压器输出满足所要求的无级连续、均匀变化的试验电压。,对调压装置的要求：,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；输出电压下限最好为零。(2) 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。,高电压工程基础,常用的调压装置：,自耦调压器。调压范围广，漏抗小，功耗小，波形畸变小。滑动触头受热容量限制，适用于小容量试验变压器。,(2) 移圈调压器。调压均匀，容量大，漏抗较大，波形畸变大。因此这种调压方式被广泛地应用在对于容量要求较大、对波形要求不十分严格的场合。,高电压工程基础,(3) 感应调压器。结构与绕线式异步电动机相似，通过改变转子与定子的相对位置调压。容量大，漏抗大，价格贵。,(4) 电动发电机组。调压方式不受电网电压质量影响。但投资和运行费用大，适用于对试验电压要求很高的场合。,7.1.2 串联谐振交流高压的产生,高电压工程基础,对于容量大、损耗小的试品，如电缆、电容器以及气体绝缘开关装置等的绝缘试验，如采用工频交流电压进行试验，要求的电源很大，一般很难实现。为了适应大容量试品的耐压试验，可采用高压串联谐振试验设备。,等值电路中R为代表整个试验回路损耗的等值电阻，L为可调电感和电源设备漏感之和，C为被试品电容，U1为试验变压器空载时高压端对地电压。,电容上的电压为：,高电压工程基础,当调节电感使回路发生谐振时，被试品上的电压为：,式中Q为谐振回路的品质因数，为谐振时感抗(容抗)与回路中电阻R的比：,谐振时L远大于R，即Q值较大， 故用较低的电压U便可在被试品两端获得较高的试验电压Uc。谐振时高压回路流过相同的电流 I，而U=Uc/Q，所以试验变压器的容量在理论上仅需被试品容量的1/Q。,高电压工程基础,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，故绝缘击穿处的电弧不会将故障点扩大。,为了使回路参数满足谐振条件，可以调节电容或电感，也可以调节电源频率。交流两相或三相工频电源，经变频控制单元输出30300 Hz频率可调的交流电压，励磁变压器升压，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。电容分压器是纯电容式的，用来测量试验电压。系统的频率取决于回路的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。,高电压工程基础,7.1.3 交流高压试验,高电压工程基础,原因：工频高压试验中多数试品是电容性的，会在试品上产生“容升”效应，即实际作用到试品上的电压值会超过按变比高压侧应输出的电压值。此外，对初级绕组突然加压，或当输出电压较高时突然切断电源，有可能由于过渡过程而在试验回路中产生过电压。被试品突然击穿，也可能出现大幅值的过电压。,1、防止工频高压试验中可能出现的过电压,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），限制过电压幅值的同时限制了流过被试品和试验变压器的短路电流。,高电压工程基础,原因：变压器或调压装置的铁芯工作在磁化曲线的饱和段，励磁电流呈非正弦波，或当变压器和调压器存在漏抗时，会造成变压器的输出波形畸变。被试品的容量越大，波形畸变越严重。,2、试验电压的波形畸变与改善措施,措施：在试验变压器的一次绕组并联一个L-C串联谐振回路。若主要需减弱3次谐波，则L-C回路可按3L=1/ 3C选择参数，使励磁电流中的3次谐波分量有了短路回路。,高电压工程基础,对于带绕组的被试品，用外施电压对其主绝缘作工频高压试验时，首先应将各绕组的首尾短接，然后，根据不同要求做其它接线，这样能防止电容电流流过励磁感抗造成不允许的电压升高。有些电气设备绕组绝缘是分级的，线端绝缘较强，中性点或接地端绝缘较弱，绕组的各不同部位应该耐受和能够耐受的试验电压当然也就不同。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，即在其低压绕组上施加两倍的额定电压，使中压绕组、高压绕组感应出所需的试验电压来。,3、外施电压试验和感应高压试验,高电压工程基础,感应耐压试验既可考验主绝缘，也可考验纵绝缘（层间、匝间绝缘）。为防止铁芯中的磁通密度增加，铁芯过分饱和，可提高外施电压的频率，使f 100Hz。但频率增加时，铁损、介损将随之增加，为避免频率的提高对绝缘的考验加重，应缩短试验时间。,试验标准规定：试验频率f2 fN时，全电压下的加压时间为60s；当f 2 fN时，试验时间为,但t不得小于20s，一般试验频率f 400Hz。,高电压工程基础,现场缺少高频试验电源，利用三台单相变压器产生三倍频电压。将三台单相变压器一次侧接成星形，二次侧接成开口三角形。,基本原理：一次侧加较高电压使铁芯饱和，由于铁芯的非线性性质，在正弦激磁电流的作用下，铁芯中产生三次谐波磁通。则在每相绕组中感应出三次谐波电势，二次侧三角形开口处即可输出三相三次谐波电势的算术和。,7.2 直流高电压试验,高电压工程基础,（1）直流高压试验设备1）测量泄漏电流；2）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，也常用来代替交流耐压试验；高压直流输电设备耐压试验）；3）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，即直流电源必须具有一定的负载能力。,7.2.1 直流高电压的产生,高电压工程基础,直流高电压由试验变压器将交流电压升高后经整流获得。下图为基本的半波整流电路，能获得的最高直流电压为工频试验变压器输出交流电压的峰值。,1、半波整流回路和直流高压设备的基本参数,高电压工程基础,（1）额定整流电流指允许长时间通过整流器的直流电流（平均值）。,整流元件的主要技术参数,（2）额定反峰电压当整流器阻断时，允许加在其两端的最大反向电压峰值。,（1）输出的额定直流电压（算术平均值）Ud,直流高压试验设备的基本技术参数,（2）输出的额定直流电流（平均值）Id,（3）电压脉动系数（亦称纹波系数）S,高电压工程基础,u表示输出电压的脉动幅值或波纹。根据国际电工委员会和我国国家标准规定，直流高压试验设备在额定电压和额定电流下的脉动系数S应不大于3%。,电压脉动系数S：,对于半波整流电路,高电压工程基础,倍压整流电路可看作两个半波电路的叠加，因而它的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。输出电压为2UT。,2、倍压整流回路,高电压工程基础,1）当电源为负时，硅堆D1截止，D2导通，电源经D2对电容C1充电，1点电位为正，3点电位为负，C1最高充电电压可达 。2）当电源电压升高时，1点电位也抬高，此时D2截止；当1点电位高于2点电位时，D1导通，电源经C1、D1向C2充电，2点电位逐渐升高。3）当电源电压从 逐渐下降，1点电位随之降落，当1点电位低于2点电位时， D1截止；当1点电位继续下降到低于地电位时， D2又导通，电源再经D2对C1充电。,3、串级直流发生器,减小电压脉动系数的方法：1）减小串接级数；2）增加每级电容器的电容量；3）提高电源频率。,高电压工程基础,（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。（2）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堆的电流，需在试品与高压输出端之间串接一保护电阻。,直流高电压试验注意事项：,7.2.2 直流高电压的试验,高电压工程基础,高电压工程基础,直流耐压试验与交流耐压试验相比具有以下特点：,(1) 试验中只有微安级泄漏电流，不需要供给试品电容电流，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。,高电压工程基础,由于直流电压作用下绝缘内部的电压分布和交流电压作用下的电压分布不同，其对绝缘的考验不如交流下接近实际和准确。所以只对几种电容量很大的电气设备才改做直流耐压试验。因直流电压下绝缘中的电压分布经较长时间才趋于稳定，且直流电压下绝缘中的介质损耗及直流电压对绝缘的损伤比交流电压下的小，所以直流耐压试验的时间较工频耐压试验时间长，一般在510min。试验接线同测量泄漏电流的试验接线。,高电压工程基础,直流耐压试验时，试验电压值的选择是一个重要的问题，绝缘在直流电压下的击穿强度比交流下高，在选择直流耐压试验电压时应注意这一点。试验电压主要根据运行经验确定。如发电机定子绕组，试验电压取23倍额定电压。210kV电缆取5倍额定电压，1530kV取4倍额定电压，35kV及以上取22.6倍额定电压。,7.3 冲击电压试验,高电压工程基础,冲击电压：（雷电冲击电压、操作冲击电压）持续短、电压上升速度快，达到幅值后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。,标准雷电冲击的定义 ：,Tx为30%90%峰值间所测得的时间。标准雷电冲击电压：1.2/50s标准操作冲击电压：250/2500s,7.3.1 冲击电压发生器与参数计算,高电压工程基础,G0,G0,G0,电容C1在被间隙G0隔离的状态下由直流电源充电到稳态电压U0，球隙击穿后，电容C1上的电荷一方面经Rt放电，同时通过Rf对电容C2充电，在被试品上形成上升的电压波前。当C2上的电压被充电达到最大值后， C2与C1一起对Rt放电，在被试品上形成下降的波尾。,一般选择Rt比Rf大得多， C1比C2大得多，这样就可以在C2上得到所要求的波头较短（波头时间常数较小）而半峰值时间较长（波尾时间常数较大）的冲击电压波形。Rf的大小决定了波头的长短，称为波头电阻。Rt的大小决定了波长，称为波尾电阻。,高电压工程基础,高电压工程基础,对于高效回路，在C1向C2充电过程中，如果忽略C1经Rt放掉的电荷，则C2上的电压最大可达：,对于低效回路，除了电容上的电荷分布外，还有Rd和Rt的分压作用， C2上的最大电压为,利用系数：,高电压工程基础,对于标准雷电波，波头时间很短，而波尾衰减相对很慢，在考虑波头时，可忽略波尾衰减的影响，近似认为Rt开路。,波前时间的确定,高电压工程基础,在考虑波长时，不考虑Rd和Rf的影响，近似认为C1和C2对Rt放电，则C2上电压为：,半峰值时间的确定,可根据所要求的波形选择回路参数，通常C2是由试品决定的。而C1一般取(510)C2，即可根据所要求的波形求出(Rd+Rf)和Rt。另外，Rd是用来阻尼回路振荡的，通常取几十欧，对高效率回路，Rd=0，这样回路中的所有参数都可确定了。,由半峰值时间Tt的定义，可得：,高电压工程基础,如需更高的冲击电压，可采用多级冲击电压发生器。其工作原理概括来说就是利用多级电容器并联充电，然后通过球隙使电容器串联放电，从而产生高幅值的冲击电压。,高电压工程基础,充电过程：由试验变压器T和高压硅堆VD构成的整流电源，以峰值电压经保护电阻r 及充电电阻R 向主电容C1C4充电。经过一定时间后，主电容通过整流电源并联充电到电压U，各球隙G1 G4间电位差亦为U。充电过程中，波尾电阻Rf、试品C0等都由隔离球隙与充电回路隔开，因此对地都是零电位。,高电压工程基础,放电过程：当需要启动冲击电压发生器时，可向点火球隙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，电容器C1的上极板经G1接地，点1电位由地电位变为-U。电容器C1和C2间有充电电阻R隔开，R比较大，在G1放电瞬间，点2和点4电位不可能突变，点4电位仍为+U，球隙G2上的电位差突然上升到2U，G2放电，于是3点的电位为-2U。同理，G3、G4也相继放电，将电容器C1C4串联起来。最后隔离球隙G0也放电，输出电压为C1C4上电压的总和，即-4U。,高电压工程基础,为了提高输出电压，通常采用双边电容器充电方式。回路的rt和rf被分散在各级小回路内，没有专用的rd，也没有隔离球隙G0 ，只有充电电阻R和兼作充电电阻的rt和rf 。由于不存在阻尼电阻Rd ，在相同充电电压下输出电压略高，故称为高效回路。,高电压工程基础,放电时的等值电路,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。产生截断波的原理：将一截断间隙与被试品并联，调节间隙距离使之具有所需的击穿电压；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。,7.3.2 截断波的产生方法,高电压工程基础,目前多采用可控截断电路来控制截断时间，截断间隙采用针孔球隙。触发脉冲导致间隙G1放电后，间隙G2上将承受全部电压，同时，R3上电流流过形成压降，S2处出现触发火花，导致G2放电，形成截断。调节此球隙的自放电电压略大于全波电压，控制信号来自冲击发生器本体中的波尾电阻或分压器，经电缆或延时传输线到触发装置，调节时延即可得到所需的截断时间。,高电压工程基础,（1）利用冲击电压发生器产生操作波 利用冲击电压发生器产生操作冲击电压的原理与产生雷电冲击电压的原理是一样的，只不过操作冲击电压的波前和半峰值时间比雷电冲击电压的长的多，所以要求发生器的放电时间常数比产生雷电冲击电压时间长得多。调节冲击电压发生器的波头、波尾电阻，可改变波头波尾时间，就可以得到标准所规定的操作冲击电压。在进行操作冲击电压发生回路的参数计算时需要注意，一是不能用计算标准雷电波的近似估计的方法来计算操作波的回路参数，否则将带来很大的误差；二要充分考虑充电电阻对波形的影响。,7.3.3 操作冲击电压的获得,高电压工程基础,（2）利用电容器对变压器一次绕组放电产生操作波一组电容C由直流充电至一定值U0 ，然后通过球隙G的击穿，使C向试验变压器的一次绕组（低压侧）放电，在变压器的二次绕组（高压侧）便会因电磁感应基本上按变比产生高电压的操作波形。在较低电压下调节R1和C1得到所需要的波形，然后根据试验需要升高电压。,高电压工程基础,IEC推荐的利用工频试验变压器产生操作冲击,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es。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，可减小回路尺寸，且可提高G2的放电电压，从而获得幅值为102103kV、波头时间为0.020.1s的陡波前冲击电压。,7.3.4 陡波前冲击电压的产生,高电压工程基础,7.4 稳态高电压的测量,低压侧测量：测量变压器低压绕组或测量线圈两端电压，按变比换算得到高压侧电压。因电容效应测量误差较大。,稳态高电压：工频交流高压、直流高压,高电压工程基础,测量高压时，除了测量电压的幅值，经常还需要测量电压的波形。在测量高电压时往往有泄漏、电晕以及杂散电容等的影响，准确测量难度较大。,高压测量系统：转换装置、转换装置至试品间的引线、 接地连线、低压测量回路、测量仪表等。,对测量结果的要求：（1）交流电压的测量，要求测量系统在测量额定电压的峰值或有效值时的总不确定度在3之内；（2）直流电压的测量，要求测量系统在测量试验电压算术平均值时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%。,高电压工程基础,利用气体放电测量交流高电压，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，例如峰值电压表。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：,高电压工程基础,1、球间隙,垂直型标准测量球隙,测量球隙是一对直径相同的金属球。当球隙为稍不均匀电场时，球间隙的放电电压与球径、间隙距离以及大气状态存在一定的对应关系，利用这个性质，形成了放电电压与间隙距离的关系。,高电压工程基础,7.4.1 气体放电间隙,IEC和国标严格规定了在标准大气条件下测量所用球隙的结构、布置和连接，并制定了标准球径的球隙放电电压与球间隙距离的关系表，其误差不超过3%，使用时可查阅。,（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%。,高电压工程基础,（2）用球间隙测量直流电压时，测量装置、测量方法与测量交流电压时相同，有更大的测量不确定度，常常是由空气中的灰尘或纤维引起。当球隙距离不大于0.4D时，其测量不确定度在5%以内。,高电压工程基础,（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，被测电压越高，球径越大，所需的空间越大。常用于求取高压侧电压值与试验变压器低压侧的仪表读数间的比例关系。,2、棒间隙,用球间隙测量直流电压时，会出现较大的分散性，IEC中推荐使用左图所示结构的棒间隙。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。,棒间隙直接测量直流电压时也非常费时，一般用于求取直流高压输出值与直流发生器低压侧的仪表读数间的比例关系。,标准大气条件下，正、负极性的直流电压下，棒间隙10次放电电压的平均值为：,高电压工程基础,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（或偏转）从而反映所加电压大小。由固定电极和可动电极组成，另有屏蔽电极消除边缘效应和外电场的影响。两极间加上电压U，电极间就会受到静电力f的作用，使可动电极绕其支点转动。而且f 的大小与U 的数值有固定关系，设法测量f 的大小就可确定所加电压U 的大小。利用这一原理制成的仪表即为静电电压表。,高电压工程基础,7.4.2 静电电压表,高电压工程基础,静电作用力与电压平方成正比，与电压的极性无关，总是正的。若电压不是恒定的，静电作用力也与时间有关。,静电电压表指示的是电压的均方根值。测量交流电压时，指示的是被测电压的有效值；测直流电压时，当脉动系数不超过20%时，测得的数值与平均值的误差不超过1%，故可认为在直流下静电电压表的测量值为直流电压的平均值。,直流电压中含有脉动分量时，静电电压表的指示值为：,在电容器上施加交流电压，通过测量充电电流来确定电压值。通过半波整流或全波整流，利用直流电流计测量整流电流可求得电压的峰值，而采用有效值指示的交流电流计则可求得电压的有效值。,高电压工程基础,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,半波整流法,全波整流法,与耦合电容器类似，利用静电容量大的电容器，可用交流电流计直接测量充电电流的有效值（I），电压有效值为：,高电压工程基础,由于高频谐波电流的容抗比基波电流的要小，如果所测电压存在波形畸变，这种方法很容易带来较大的测量不确定度。,被测交流电压经整流硅堆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。,高电压工程基础,2、电容器充电电压法测量交流峰值,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：,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Ur，当脉动电压的频率为f，则电阻R两端的电压为：,高电压工程基础,3、直流脉动电压的测量,直流脉动的测量,若 ，则U Ur 。,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。,高阻分压器和串有高阻的电流表常用于高压的测量。关键是要设计一个能在高电压下稳定工作的高欧姆电阻器，当构成电阻分压器时他就是分压器的高压臂。高欧姆电阻R1通常是由多个电阻元件串联而成。,高电压工程基础,7.4.4 高压分压器,1、高阻分压器和串有高阻的电流表,测量交流电压时，流过电阻的电流I1约为几十毫安，而用其测量直流电压时，流过电阻的电流一般为0.52mA。,电阻分压器的分压比为：,高欧姆电阻（兆欧级）与微安表串联测量高压时，为防止测量仪表超量程，在测量仪表旁并联保护放电间隙或放电管P；同时为了防止微安表发生开路而在控制台出现高电压，微安表应并联电阻（千欧级）。,高电压工程基础,电阻本身发热、电晕放电或绝缘泄漏会造成测量结果的不准确。电阻的温度系数应尽可能小。高阻值电阻可浸入绝缘油中以增强散热，同时可以防止电晕放电和绝缘泄漏。,交流高压测量时，由于对地杂散电容作用，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，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。,当被测电压较高时，通常采用电容分压器配用低压仪表来测量交流高压。通常试品和分压器在试区内，测量仪表在控制室内，两者相隔较远。为了防止外电场对测量电路的影响，通常用高频同轴电缆来传输被测量的电压信号。该电缆的电容应计入低压臂的电容量C2中。,高电压工程基础,2、电容分压器,不考虑杂散电容影响时，分压比为：,高电压工程基础,高压臂电容C1常由多个电容串联而成，杂散电容CE及CL使高压臂的等值电容发生变化，引起分压比改变。所以对一定环境下的分压比应进行测定和校正。,对于分压器，要求它的分压比是常数，即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。此外，分压器的接入应不影响电压波形和幅值。,高电压工程基础,分布式电容分压器：高压臂有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。集中式电容分压器：高压臂使用一个气体介质的高压标准电容器，常采用N2 、CO2 、SF6及其混合气体。,电容分压器中，要求C1很小，但又能承受很高的电压，是分压器中的主要元件。电容分压器有两种主要形式：,对于电容分压器低压臂电容C2，要求电容量较大而承受的电压较低，因此应采用高稳定度、低损耗、低电感量的云母、聚苯乙烯等介质的电容器。电容量根据分压比和低压仪表的量程确定。,7.5 冲击电压的测量,高电压工程基础,无论是雷电冲击还是操作冲击电压波，冲击电压都是持续时间较短的暂态电压，要求冲击电压的测量系统必须具有良好的瞬态响应特性。,冲击电压的测定包括：幅值测量和波形记录。,标准规定：对于标准全波、波尾截断波以及1/5(s)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。,当电压作用非常短时，气体放电需要一定的放电时延，具有一定的分散性，与间隙中的有效电子的产生有关。在球间隙上加一定幅值的冲击电压时，间隙的放电有一定的概率，用50%放电电压来表示球间隙的冲击电压幅值。50%放电电压是指一定距离的球间隙，在一定电压作用下放电的概率为50%。规定测量球隙为稍不均匀场，当波头时间大于1s时，其伏秒特性大体上是一条水平线，冲击系数为1，即球间隙的50%冲击放电电压和稳态电压下的击穿电压基本相同。,高电压工程基础,7.5.1 球间隙测量冲击电压的幅值,高电压工程基础,利用球隙测量冲击电压时的注意问题：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，为加速有效电子的出现，减小放电的分散性，使放电电压稳定，必须用放电火花或短波光源照射球隙。利用球隙测量冲击电压时，如在球隙前串联电阻，球隙击穿瞬间 很大，串联电阻后会在其上造成很大的压降，使测量出现较大的不确定度。但为避免球隙击穿时，球隙连线的电感与球隙电容形成串联振荡，从而对被试品造成损伤，需要加入串联保护电阻（无感电阻，其值应不大于500）。,高电压工程基础,确定50%放电电压的方法：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，每级施加电压10次，至少要加4级电压。求出每级电压下的放电次数和施加次数之比P后，将其按电压值标于正态概率纸上，给出拟合直线，在此直线上对应于P=0.5的电压值即为50%放电电压。升降法：估计50%放电电压的预期值Ui，取Ui的23%为电压增量U，凡上次加压如已引起放电，则下次加压比上次电压降低U ；凡上次加压未引起放电，则下次加压比上次电压升高U 。这样反复加压2040次，分别计算出各级电压下Ui的加压次数，按下式求出50%放电电压。,在冲击电压测量中，常采用数字存储示波器、数字记录仪等来观测冲击电压的幅值和波形，需要电压分压器将几百千伏甚至上兆伏的高压不失真地降到示波器所能承受的电压。分压器测量系统包括：从被试品到分压器高压端的高压引线、分压器、连接分压器输出端与示波器的同轴电缆以及示波器。国家标准规定，分压比应稳定，其允许的不确定度为1%。,高电压工程基础,7.5.2 冲击电压分压器,对于雷电冲击电压的测量，这些分压器一般都可采用；但对于操作冲击电压的测量，主要采用电容分压器。阻尼电容分压器是指多个电容器串联、每一段分别串接阻尼电阻而构成的一种分压器，可有效抑制高压端的局部振荡，具有良好的特性。,高电压工程基础,(a)电阻分压器 (b)电容分压器 (c)串联阻容分压器 (d)并联阻容分压器,测量系统的特性由分压比和响应来表示。（1）分压比：分压器输入端所加电压的峰值除以测量系统输出端出现的电压峰值。（2）响应：反映分压回路能否将波形无畸变地传送到测量仪表。分压器的输入端施加某一波形电压A(t)，与之相对应，在测量系统的输出端会出现电压U(t)，U(t)即为对A(t)的响应。通常采用A(t)为直角波时的响应来反映分压器的特性。,高电压工程基础,响应的好坏常用响应时间来定量表示。若在分压器高压侧施加一单位阶跃波，在理想的情况下，输出电压也应该是方波，幅值按分压比缩小。但由于系统测量误差，实际的输出电压已不是方波，而可能是一个接近按指数规律上升或衰减振荡的波形。,高电压工程基础,将输出的电压波形曲线按分压器稳态时的分压比归算到输入端，则此时输出端的稳态电压也为1。归一化后的输出电压称为单位方波响应u(t)。 u(t)与单位阶跃之间形成的面积称为方波响应时间T。,(a) 指数型 (b) 振荡型,T1,表征系统方波响应主要参数有：（1）响应时间T ：单位方波和单位方波响应u(t)之间所包围的面积的代数和所代表的时间。对指数响应， T=T1； 对振荡响应，T=T1-T2+T3-T4+（2）部分响应时间T1 ：u(t)首次达到幅值前的前沿部分与单位方波之间的面积。（3）过冲 ：单位方波响应u(t)的最大值超出单位方波的数值。,高电压工程基础,对指数响应，方波响应时间T值越大，分压系统的失真度越大。对振荡型响应，以部分响应时间T1和过冲这两个特性共同衡量误差的大小，要求这两个参数不超过允许值。,测量冲击电压的电阻分压器，其原理接线同测量直流和交流的电阻分压器。为使阻值稳定，电阻通常用金属电阻丝按无感绕法绕制。电阻分压器的误差主要是由于分压器各部分的对地杂散电容引起的，这些杂散电容对变化速度很快的冲击电压来说，会形成不可忽略的电纳分支，而且电纳值遇与测电压中各谐波频率有关，这将使输出波形失真，并产生幅值误差。,高电压工程基础,1、电阻分压器,方波响应时间为：,分压器电阻值越大或对地电容越大，响应时间越长，特性就越差。,分压器的尺寸应尽可能小，以减小Ce的值，R值一般取几千欧到20k。,电容分压器高、低压臂均为电容，各部分对地也存在杂散电容，会在一定程度上影响分压比，但因分压器本体也是电容，故只要周围环境不变，这种影响将是恒定的，不随被测电压的波形、幅值而变，因此电容分压器不会使输出波形发生畸变。,高电压工程基础,2、电容分压器,测量快速变化过程时，电压按电容分布，它像电容分压器，大大减小了对地杂散电容对电阻分压波形的畸变。测慢速变化过程时，电压主要按电阻分布，它又像电阻分压器，避免了电容器的泄漏电阻对分压比的影响。如果使高压臂和低压臂的时间常数相等，即C1R1=C2R2，则可实现分压比不随频率而变。,高电压工程基础,3、并联阻容分压器,串联阻容分压器是在各级电容器中串接电阻，它可以抑制电容分压器本体电容与整个测量回路的电感配合而产生的主回路振荡，及分压器本体各级电容器中的寄生电感与对地杂散电容配合形成的寄生振荡，但串接电阻后将使分压器的响应时间增大，如果在低压臂中也按比例地串入电阻，则可保持响应时间不变。,高电压工程基础,4、串联阻容分压器,谢谢大家！,