高电压工程基础(施围)课件第7章-电气设备绝缘的高电压试验

《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。工频电压的产生1.工频高压试验对试验设备的要求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）球间隙被试品工频试验变压器及配套调压器的特点：（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；（2）波形与调压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。（3）容量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。2.串级试验变压器2U2U2T321321T2321T13U2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：3U2350%6T额定输出容量装置总容量工频试验变压器U＝500kVI＝1A3.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CRLICU1U串联谐振装置的等效电路1LC谐振条件：ssLcQUURLICUU1CRRLQ1或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。变频串联谐振装置交流高压试验-需要注意的问题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。u1CLCLTu13）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。7.2直流高电压试验（1）直流高压试验设备的作用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、Ud---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（1）半波整流回路2TsmURI（2）直流高压试验设备的基本技术参数dUuSmaxmin2UUumaxmin2dUUU1）输出的额定直流电压（算术平均值）Ud2）相应的额定直流电流（平均值）Id3）电压脉动系数（亦称纹波系数）S对于半波整流电路22ddITIuCfCxdddfCRfCUIUuS2122.倍压整流回路CCT1D2DTUAA倍压电路1230C11D2D常用倍压电路C2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。22TU2TU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。22TU0~22TU3.串级直流发生器D1C1’C1Q2Q2+Q1Q2+2Q1Q2+(n-1)Q1Q12Q1nQ1Q2+(n-2)Q1RxIdD1’DnDn’Cn’Cn串级直流高压发生器原理图(1)4dnnIufC脉动幅值：322(432)6ddmIUnUnnnfC输出电压平均值：32(432)6daIUnnnfC电压降落：(1)4dddnnIuSUfCU脉动系数：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。POO’TfCFTttUxyz标准雷电冲击的定义：xfTT67.1Tx为30%~90%峰值间所测得的时间。标准雷电冲击电压：1.2/50[s]标准操作冲击电压：250/2500[s]RRRR多级冲击电压发生器RfRtATT（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。22串级直流高压发生装置5极U＝1000kVI为mA量级冲击电压发生器与参数计算1.冲击电压产生的基本原理_+RfRtC2C1U0u2(t)Rd_+RfRtC2C1u2(t)U0LRf_+RtC2C1U0u2(t)(a)典型等效电路(b)考虑回路电感的等效电路(c)高效回路的等效原理：（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。主电容试品等电容波头电阻波尾电阻RRRrDCCCCT冲击电压发生器的单边充电回路RRRrDDRRRRCCCCCCCCT冲击电压发生器的双边充电回路2.冲击电压发生器放电回路的近似计算2/22max(1)tuue7ln212tt2121)(24.3CCCCRRTfdf21212)(CCCCRRfd12/2max2max0.3(1)tUUe22/0.7te122max0.3tuu时22/2max2max0.9(1)tUUe222max0.9tuu时22/0.1te6.0112ttTf（1）波前时间的确定1/2max2max12tTUue（2）半峰值时间的确定1/22maxtuue112()tCCR))((69.02ln211CCRRTdtt2max1UU（3）冲击电压发生器的效率112tdtRCRRCC对于低效回路：112CCC对于高效回路：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102~103kV、波头时间为0.02~0.1s的陡波前冲击电压。陡波冲击电压发生器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①利用气体放电测量交流高电压，例如测量球隙、测量棒间隙。②利