7-电气设备绝缘的高电压试验

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45Hz~65Hz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30Hz~300Hz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0.1-1Ω/V;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）球间隙被试品R2—球隙保护电阻，一般取0.1-0.5Ω/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45~55Hz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)A(109有效值CUICkVA1092CUP式中U—被试品的试验电压，kV(有效值)；C—被试品的电容，pF；ω—所加电压的角频率。2U2U2T321321T2321T13U22、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。1221nW)n(nn总输出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：(1)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：(1)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。CRLICU1U串联谐振装置的等效电路等值电路中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：CCLCCXXXRUIXU22)(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：QUUCRCRUIXUCC11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：CRRLQ1或谐振时ωL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。调频调压电源50Hz电源反馈控制信号激励变压器电抗器分压器被试品变频串联谐振装置的原理框图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30~300Hz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3ωL=1/3ωC选择参数，使励磁电流中的3次谐波分量有了短路回路。u1CLCLTu1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f≦2fN时，全电压下的加压时间为60s；当f2fN时，试验时间为(s)10060ft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T---工频室验变压器C---滤波电容器D---整流元件(高压硅堆)R---保护电阻Umax、Umin、UT---试品输出直流电压的最大值、最小值、算术平方值TDRCRxutTUminUmaxUT半波整流电路及输出电压波形图2TsmURI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