高电压技术实验指导书-学生用-

实验一．电介质绝缘特性及电击穿实验一．实验目的：观察气隙击穿、液体击穿以及固体沿面放电等现象及其特点，认识其发展过程及影响击穿电压的各主要因素，加深对有关放电理论的理解。二．预习要点：概念：绝缘；游离；电晕；电子崩；流注；先导放电；自持放电；滑闪放电；沿面放电；小桥；电击穿；热击穿。判断：空气是绝缘介质；纯净液体的击穿是电击穿，非纯净液体的击穿是热击穿，绝缘油的击穿电压受油品、电压作用时间、电场分布情况及温度的影响较大，电弧会使油分解并产生炭粒；沿面放电是特殊的气体放电，分三个阶段，沿面闪络电压小于气隙击穿电压。推理：变压器油怕受潮；油断路器有动作次数的限制；相关知识点：电场、介质极化、偶极子、介电常数、Paschen定律、Townsend理论、流注理论、伏秒特性、大气过电压、内部过电压。三．实验项目：1．气体绝缘介质绝缘特性及电击穿实验⑴．电极形状对放电的影响①．球球间隙②．针板间隙③．针针间隙⑵．电场性质对放电的影响①．工频交流电场②．直流电场⑶．极性效应①．正针负板②．负针正板2．液体绝缘介质绝缘特性及电击穿实验⑴．导电小桥的观察⑵．抗电强度的测试3．固体绝缘介质绝缘特性及电击穿实验⑴．刷状放电的观察⑵．滑闪放电的观察⑶．沿面闪络的观察四．实验说明：1．气体绝缘特性：⑴．气体在正常情况下绝缘性能良好（带电粒子很少）；⑵．气体质点获得足够的能量（大于其游离能）后，将会产生游离，生成正离子和电子；⑶．气体质点获得能量的途径有：粒子撞击、光子激励、分子热碰撞；⑷．气隙中除了有气体质点游离产生的带电粒子外，还存在金属电极表面的逸出电子；⑸．气隙加上电场，气隙中的带电粒子将顺电场方向加速运动，造成大量的粒子碰撞，但产生气体质点游离的撞源粒子是电子；⑹．气隙上的电场足够强时，撞击游离产生的电子又会成为撞源粒子，从而形成电子崩；⑺．气隙之间存在的大量带电粒子会形成空间电荷区，空间电荷的存在会改变气隙间的电场分布；⑻．气隙在强电场作用下，产生强烈游离，并发展到自持放电，气隙就被击穿。空气间隙的放电电压与电压性质、电极形状、大气条件等因素有关：间隙间施加交流电场或直流电场，所表现出的击穿特性及恢复特性都不相同；交流电场实际上是一个大小和极性都在不断变化的电场，如果是针板间隙，则肯定是在最容易击穿的极性下被击穿，交流快过零时气隙间电弧熄灭，气隙绝缘的恢复至少存在半个周期的恢复时间；直流电场的极性不发生改变，如果施加于针板间隙，会随所加极性的不同而表现出强烈的极性效应。由于不同形状的电极间电场均匀度不同，故电极形状会对放电产生影响。平板间隙间可建立均匀电场，但边沿如不做倒角处理将形成局部强电场，去除边沿效应后的平板间隙在小距离情况下（δS0.26cm）放电电压很稳定；由于是均匀电场，不会出现持续的局部放电，起始放电电压就等于击穿电压，并且从自持放电开始到间隙完全击穿所需的时间很短，因此电压波形（包括极性，因形态对称）对击穿电压不会造成影响，放电分散性很小。球球间隙间能建立较均匀电场（S/D≤0.5），接近上述均匀电场的特性，其放电分散性也较小，并且没有明显的边沿效应。故在高电压试验中常用球隙来做保护间隙甚至是测量间隙。针板间隙间建立的电场是非均匀电场，在不同性质的电场作用下，其放电分散性较大；由于存在局部强电场，此处的空气将先期产生强烈游离，出现局部持续放电，生成大量带电粒子，并在针尖附近形成大量的正空间电荷，此空间电荷将改变针板间的电场分布，从而影响间隙的击穿电压，在直流电场情况下，就产生了明显的极性效应。针针间隙间建立的电场是极不均匀电场，由于存在两处局部强电场，更易生成大量带电粒子，但形成的正空间电荷会使针针间电场梯度变得平缓，因而使针针间隙击穿电压反而比针板（正针负板）间隙击穿电压稍高；针针间隙是对称电场，不存在极性效应。大气条件主要包括温度、湿度、气压三个指标。温度实际上反映的是气体分子热运动的强烈程度，温度越高，则分子热运动越强烈，越容易产生热碰撞游离，气隙绝缘性就越差；温度高到一定程度时，气体将变成等离子体，它也就失去了绝缘性而变成了导体。湿度反映的是气体中含水份的程度，水分子是电负性的，易俘获自由电子，使气体中的自由电子减少，从而阻碍游离的发展，因此随湿度的增大气隙的击穿电压也将提高。气压是气体分子密度的反映，气压越高，密度越大，气体分子（包括自由电子）平均自由行程缩短，不易形成撞击游离，气隙的击穿电压因而提高。但气压过低（如接近真空）则气体分子稀薄，也难形成大量撞击游离，气隙的击穿电压也将提高。2．液体绝缘介质绝缘特性有如下特点：⑴．液体绝缘介质本身的离解需要较强的电场，但其绝缘性能（电导）对杂质却非常敏感。⑵．纯净液体绝缘介质的击穿是因强电场作用下分子游离并形成电子崩造成（电击穿）；非纯净液体绝缘介质的击穿则主要是因为电场作用下杂质的顺电场排列形成小桥（如图1-1所示），并且在杂质体及附近形成局部强电场加速液体分子游离，从而产生新的杂质，使小桥生长并贯穿整个间隙，形成较大泄漏电流并发热，产生气泡（也属杂质），最终导致间隙击穿（热击穿）。⑶．温度对液体绝缘介质绝缘特性的影响表现在如下几个方面：首先是影响绝缘电阻，随温度的升高，液体介质的粘度降低，离子受电场力作用而移动时所受的阻力减小，使绝缘电阻减小，同时使液体介质离解度增大，也促使绝缘电阻减小。随着绝缘电阻的减小，其泄漏电流增大，热效应将更为明显，会促使间隙被击穿。另一方面，温度的升高会使液体介质中溶解的水份由乳化悬浮状态转化为分子溶解状态，而分子溶解状态的水份对液体介质绝缘特性的影响比乳化悬浮状态的水份要小得多，这会使间隙击穿电压升高。温度继续升高（60～80℃），部分水份汽化形成气泡，这又会降低间隙击穿电压。在极不均匀电场中，由于电极锐缘处发生的游离和扰动，油中杂质不易形成小桥，不会出现击穿电压随温度升高而增大的情况，而只是单调地稍有下降。对于冲击电压的作用，由于作用时间短，油隙中也不易形成小桥，击穿电压随温度升高也只是单调地稍有下降。3．固体绝缘介质绝缘特性：⑴．固体绝缘介质的纵向绝缘（体绝缘）很高，运行中一般不会发生纵向绝缘击穿事故（除非绝缘存在严重的内部缺陷），但往往发生绝缘的表面击穿——沿面放电。⑵．沿面放电实质上也是一种气体放电，但却是沿固体绝缘表面进行，其放电电压比相同距离（爬电距离）的纯气隙击穿电压低。⑶．影响沿面闪络电压的主要因素有：电场分布和电压波形、固体介质材料、固体介质表面性状、大气条件等。对电场分布差异很大的固体介质表面，随着所施加电压（工频）的升高，沿面放电呈阶段性发展（如图1-2所示），首先在电场最强处产生电晕放电，接着是出现许多伸向对面电极的刷状放电，再后来是出现树枝状火花放电，此起彼伏，极不稳定，并伴有爆裂声，称为滑闪放电，最后当滑闪放电到达对面电极时，就形成沿面闪络。固体介质材料的吸水性对沿面闪络电压有影响，吸水性越强，在相同大气条件下的沿面闪络电压就越低。固体介质表面的湿润度及污秽度对沿面闪络电压会造成影响，大雨或雾露天气对闪络电压的影响机理不同，污秽物的不同也会对闪络电压形成不同影响。大气条件中的温度和气压对沿面闪络电压的影响与气隙相似，但不如气隙明显；而湿度的影响则主要与固体介质表面吸水性有关，并通过表面凝水程度来影响闪络电压。图1-1液体介质内的小桥形成示意图图1-2穿墙套管的沿面放电示意图五．仪器设备：50/5试验装置一套水阻一只高压硅堆一只针、板、球电极各一付油槽（附电极一付）一只瓷套管一只六．实验接线：（a）交流击穿实验（b）直流击穿实验图1-3气隙击穿实验接线图图1-4液体介质的击穿实验接线图图1-5固体介质的沿面放电实验接线图七．实验步骤：1.气隙的击穿⑴．实验接线如图1-3所示，首先装上球球电极，调整气隙距离为2cm，测量工频击穿电压及直流击穿电压，并观察击穿过程及电弧现象，注意升压应匀速，一般为2kv/s；然后将电极换成针针电极，同样将气隙调整为2cm，重复以上实验。⑵．将电极换成针板电极，调整气隙距离为2cm，施加工频电压，使电压匀速升高至气隙击穿，观察击穿过程及电弧现象，并记录下击穿电压。⑶．保持电极状态不变，改施直流电压（正针负板），重复上述实验。注意观察直流电压下的气隙击穿过程及电弧状态与交流电压作用下的不同，并比较击穿电压值的差别。⑷．同样保持电极状态不变，将直流极性改为负针正板，重复上述实验。注意观察与前面实验现象的不同点，比较与正针负板时击穿电压值的差别，并解释其原因。在徐徐升高电压的过程中，注意观察在尖端电极附近首先会产生电晕放电，这是由于在电压还较低时，尖端处的场强就已经超过了起始游离场强的临界值，从而使尖端附近的空气产生局部游离----电晕放电。电晕放电为流注向板极推进创造了条件。当电压升高到一定值时，就会从电晕放电转变成整个间隙的火花击穿，注意观察光花击穿时的通道形状，加深对流注放电机理的认识。2．液体电介质的击穿将放电电极浸入变压器油中，如图1-4所示，在变压器油中加入少许纤维杂质，徐徐升高电压，直至发生变压器油击穿为止。通过本实验加深对小桥击穿机理的理解。当电压徐徐升高时，注意观察在电场作用下纤维杂质沿电力线方向定向排列成杂质小桥的情况；进一步观察形成贯穿电极的杂质小桥后，使泄漏电流增大，发热增加，促使水分汽化形成气泡，而气泡的游离又使气泡增多，最后使小桥通道游离击穿的全过程。3．沿面放电实验接线如图1-5所示，在徐徐升压直至闪络的过程中，注意观察刷形放电----滑闪放电----沿面放电的三个放电阶段，由于沿面放电是沿着固体表面的气体放电现象，因此沿面放电在本质上仍属气体放电的一种，和气体放电一样可以用流注放电机理来解释放电的过程。但是沿面放电是沿着固体表面进行的，因此沿面闪络电压值的大小与固体介质表面的电场分布、爬电距离、固体介质表面状况等密切相关。注意：为保证实验的安全，观察应在警戒区外，发生击穿放电后设备应具有后备跳闸保护。八．实验报告：计算球球间隙及针板间隙在工频、常压条件下空气的抗电强度（Kv/cm）；解释极性效应；解释液体击穿的小桥机理；解释为什么在交流电压下，沿面放电初期的刷形放电发生在接地的法兰附近，而不是发生在处于高电位的导杆附近；总结沿面放电与气隙放电的共同点和区别。实验二．介质损耗角正切值的测量一．实验目的：学习使用QS1型西林电桥测量介质损耗正切值的方法。二．预习要点：概念：介质损耗、损耗角、交流电桥判断：介质损耗是表征介质交流损耗的参数（直流损耗用电导就可表征），包括电导损耗和电偶损耗；测量tgδ值对检测大面积分布性绝缘缺陷或贯穿性绝缘缺陷较灵敏和有效，但对局部性非贯穿性绝缘缺陷却不灵敏和不太有效。推理：中性介质的介质损耗主要是电导损耗，极性介质的介质损耗则由电导损耗和电偶损耗两部分组成。相关知识点：介质极化、偶极子、漏导。三．实验项目：1．正接线测试2．反接线测试四．实验说明：绝缘介质中的介质损耗（P=ωCu2tgδ）以介质损耗角δ的正切值(tgδ)来表征,介质损耗角正切值等于介质有功电流和电容电流之比。用测量tgδ值来评价绝缘的好坏的方法是很有效的，因而被广泛采用，它能发现下述的一些绝缘缺陷：绝缘介质的整体受潮；绝缘介质中含有气体等杂质；浸渍物及油等的不均匀或脏污。测量介质损耗正切值的方法较多，主要有平衡电桥法（QS1），不平衡电桥法及瓦特表法。目前，我国多采用平衡电桥法，特别是工业现场广泛采用QS1型西林电桥。这种电桥工作电压为10Kv，电桥面板如图2-1所示，其工作原理及操作方法简介如下：⑴．检流计调谐钮⑵．检流计调零钮⑶．C4电容箱（tgδ）⑷．R3电阻箱⑸．微调电阻ρ（R3桥臂）⑹．灵敏度调节钮⑺．检流计电源开关⑻．检流计标尺框⑼．+tgδ/-tgδ及接通Ⅰ/断开/接通Ⅱ切换钮⑽．检流计电源插座⑾．接地⑿．低压电容测量⒀．分流器选择钮⒁．桥体引出线图2-1QS1西林电桥面板图1．工作原理：原理接线图如图2-2所示，桥臂BC接入标准电容CN（一般CN=50pf），桥臂BD由固定的无感电阻R4和可调电容C4并联组成，桥臂AD接入可调电