2013 第7章 电气设备绝缘的高电压试验.ppt

高电压工程基础华南理工大学电力学院,第7章 电气设备绝缘的高电压试验,7.1 交流高电压试验与测量 7.2 直流高电压试验与测量 7.3 冲击电压试验与测量,7.1 交流高电压试验,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。,工频电压的产生,1.工频高压试验对试验设备的要求,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,工频试验变压器的特点：（1）电压 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；以220kV电力变压器试验值为例：（2）调压与波形 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。,工频试验变压器的特点：（3）容量由试品容量决定，试变-容性负载、电变-感性负载设：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。,试验变压器的主要参数,常见试品电容量,2.串级试验变压器,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：3U2,3.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；输出电压下限最好为零。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,串联谐振交流高压的产生,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。,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。,交流高压试验,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。,3）外施电压试验和感应高压试验 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，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。,工频试验变压器,参数:U500kVI1A,7.2 直流高电压试验,（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。,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,（2）直流高压试验设备的基本技术参数,1）输出的额定直流电压（算术平均值）Ud,2）相应的额定直流电流（平均值）Id,3）电压脉动系数（亦称纹波系数）S,对于半波整流电路,2.倍压整流回路,此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。,工作原理：1）当电源为负时，硅堆D1截止，D2导通，电源经D2、R对电容C1充电，C1最高充电电压可达UTm；2）当电源电压升高时，1点电位也抬高，D2截止，D1导通，电源经C1向C2充电，2点电位逐渐升高。,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。,直流高电压的试验,（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,串级直流高压发生装置,5级U1000kVI为mA量级,7.3 冲击电压试验,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，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,由双指数波叠加而成,波尾时间常数。,波头时间常数，,通常,冲击电压波形形状的描述,冲击电压发生器与参数计算,1.冲击电压产生的基本原理,1、电源对C1充电2、然后发生放电：(C1C2)（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Rt放电，形成波尾。,在波头时间范围内，可将电压波形表示为：,用直流电源向电容器充电的波形模拟，波头时间：T1 3.24R1C2,波头波形,在波尾时间范围内，可将电压波形表示为：,波尾波形,（1）充电过程：由试验变压器T和高压硅堆D构成的整流电源，以峰值电压经保护电阻及充电电阻向主电容充电。（2）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，各球隙相继放电，将电容器串联起来，对试品放电。,“电容器并联充电，串联放电”，这一过程由一组球隙来完成。,2.冲击电压发生器放电回路的近似计算,（1）波前时间的确定,（2）半峰值时间的确定,（3）冲击电压发生器的效率,截断波的产生方法,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。,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。,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）利用电容器对变压器原绕组放电产生操作波 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，在变压器的副绕组（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。,IEC推荐的利用工频试验变压器产生操作冲击,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es。电压的波头时间决定于C1-G2-R2回路尺寸以及放电间隙G3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。,陡波冲击电压发生器,特高压冲击电压发生器,7.4 稳态高电压的测量,高压测量系统：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，要求蜂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%。,稳态高电压：工频交流高压、直流高压,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：,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）当球隙距离不大于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。（5）测量时较费时间，所需的空间越大。,2.棒间隙,用球间隙测量直流电压时，会出现较大的分散性，因此，IEC规定中，推荐使用左图的棒间隙。标准棒间隙测量直流电压时，其测量不准确度在3%以内，测量方法与球间隙一样。,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：,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（或偏转）从而反映所加电压大小。,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：,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。,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：,直流高电压的测量前面已讲的方法：静电电压表、标准棒-棒间隙、标准球间隙和 直流脉动电压的测量,直流脉动的测量,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，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。,高压分压器,1.高阻分压器和串有高阻的电流表,被测电压越高，分压器本体电阻值越大，对地杂散电容越大，误差也很大。因此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；为了防止在控制台出现高电压，微安表应并联电阻。电阻的温度系数应尽可能小。高阻值电阻可侵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。,2.电容分压器,分压器高压臂,分压器低压臂,分压器的分压比是常数，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。,（1）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，要求每个元件尽可能为纯电容，介质损耗和电感尽可能小。（2）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。,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,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1/5s短波，幅值的测量不确定度不超过3%，1s以内波头截断波，其幅值的测量误差不超过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。,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：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.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所造成的振荡对被试品的损伤，需要加入串联保护电阻（无感电阻，其值应不大于500）。,（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。（2）升降法 估计50%放电电压的预期值，取的23%为电压增量，凡上次加压如已引起放电，则下次加压比上次电压低；凡上次加压未引起放电，则下次加压比上次电压高。这样反复加压2040次，分别计算出各级电压下下的加压次数，按公式求出50%放电电压,确定50%放电电压的方法：,2.冲击电压分压器,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：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。,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，分压器低压侧输出的波形可能有两种类型，指数型和振荡型。,电阻分压器的测量回路 R1,R2是高压臂和低压臂电阻,R3,R4是匹配电阻,Z为电缆的波阻抗。其中,R2+R3=R4=Z,电缆两端都经波阻抗接地,两端都无反射波。示波器上的电压为:,K=(R1+R2)(R3+Z)+R1R2)/R2Z,电容分压器的测量回路电容分压器和示波器的连接不能像电阻分压器那样采用电缆末端并联波阻抗的办法,如图,这种连接方式,在电缆末端不会引起折反射,但传入电缆的电压波Ua0畸变了。计算Ua0时,可看作电缆的波阻抗Z和电容C2并联,Ua0不再只由电容C1与C2决定,而是由C1和C2及Z的并联阻抗决定,显然分压比不是一个常数,随所加的电压波形而变,在波首部分,电压变化快,分压比主要由C1,C2决定,但波尾部分电压变化较慢时,C2容抗大大增加,并联的Z使分压器低压臂阻抗显著降低,从而使所测波形失真,造成误差。,解决的办法电缆首端串联一个电阻,且R1=Z,电缆末端开路,这时在电缆末端将发生全反射,但由于首端串联R1=Z,因而进入电缆的电压只是 1/2Ua0,全反射后正好等于Ua0。在电压的起始瞬间,分压比主要由电容决定:ua0=u1C1/(C1+C2)K=(C1+C2)/C1电缆末端的反射波到达首端后,又将引起新的反射,但只要RC2足够大,这一反射对波头的影响是很小的。由于电缆末端开路,在电缆中有波的多次反射,由波过程理论可知,这样的电缆经过若干次反射后,其作用可近似看作一个集中电容,在稳态情况下,K=(C1+C2+Cc)/C1 C2Cc,K可以看作一常数,改进测量回路电缆波阻抗为Z,电容为Cc,在电缆首端有匹配电阻R1=Z外,在电缆末端还匹配有R2和C3,使C1+C2=C3+Cc。这样,稳态的分压比与起始时的分压比相同：K2(C1C2)/C1,作业7.57.77.8,