高电压技术：5.1-工频高电压试验课件.ppt

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1、第五章 电气绝缘高电压试验什么是高电压实验 破坏性试验，即耐压试验：破坏性试验，即耐压试验：以高于设备的正常运以高于设备的正常运行电压来考核设备的电压耐受能力和绝缘水平。行电压来考核设备的电压耐受能力和绝缘水平。优点：优点：直观，可信度高，要求严格；直观，可信度高，要求严格；缺点：缺点：是可能在试验时给绝缘造成一定的损伤，是可能在试验时给绝缘造成一定的损伤，同时不能反映绝缘缺陷的性质同时不能反映绝缘缺陷的性质 包含的种类：包含的种类：交流高压试验、直流高压试验、冲交流高压试验、直流高压试验、冲击高压试验（雷电冲击耐压试验及操作冲击耐压击高压试验（雷电冲击耐压试验及操作冲击耐压试验）试验）保证电

2、气设备的绝缘在长期工作电压（工频交流电保证电气设备的绝缘在长期工作电压（工频交流电压或直流电压）作用下，各种过电压的侵袭下，依压或直流电压）作用下，各种过电压的侵袭下，依然能保证具有一定的绝缘水平或裕度；然能保证具有一定的绝缘水平或裕度；为了检验电气设备的绝缘强度，在出厂时、安装调为了检验电气设备的绝缘强度，在出厂时、安装调试时或大修后需要进行各种高电压试验。试时或大修后需要进行各种高电压试验。进行高电压实验的必要性和时机 产生产生高电压和大电流的设备；高电压和大电流的设备；测量这些电压电流测量这些电压电流大小和波形大小和波形的测量装置；的测量装置；耐高压或者能通过大电流的耐高压或者能通过大电

3、流的转换装置转换装置；低压测量仪表低压测量仪表;进行高电压实验时需要的条件 5.1 工频高电压试验 5.2 直流高电压试验 5.3 冲击高电压试验习题与思考题 本章主要内容：返回是检验电气设备绝缘强度最有效和最直接的方法。它可用来确定电气设备绝缘耐受电压的水平，有效地发现导致绝缘抗电强度降低的各种缺陷。判断电气设备能否继续运行，是避免其在运行中发生绝缘事故的重要手段。5.1工频高电压试验5.1.1 工频高电压的产生5.1.2 工频高电压的测量5.1.3 绝缘的工频耐压试验高压试验室中的工频高电压通常采用高压试验变压器或其串级装置来产生，电容量较大的被试样，可采用串联谐振回路来获得工频高电压。5

4、.1.1 工频高电压的产生（1）一般为单相，大多数为油浸式。高压绕组大多数作成多层绕组，层间绝缘由电缆纸和绝缘材料制成的圆筒组成。（2）工作电压高。单个工频实验变压器的额定带电压(KV)有下列等级：5,10,25,35,50,100,150,250,300,500,750;（3）绝缘裕度小；（4）连续运行时间短,不必采用加强冷却系统；（5）变比较大，漏抗较大；（6）容量小。1）.高压试验变压器的特点：小结：试验变压器与电力变压器区别试验变压器 电力变压器电压等级更高、容量不大，仅单相 电压等级高、容量大，分单相、三相工作在电容性负荷下 工作在电感性负荷下允许发生短时短路 不允许发生短路工作时间

5、短 工作时间长漏磁通较大 漏磁通较小温度比较低、无散热要求 温度比较高、有散热要求绝缘裕度小 绝缘裕度大l高压绕组中点通常与外壳相连，每个套管所承受0.5Un；l外壳绝缘当按0.5Un考虑。l可以减小套管的尺寸和重量。l多适用于500kv及以上的T2）.外形结构：金属外壳单套管式双套管式绝缘筒外壳式：多适用于500kv及以上的Tl高压绕组一端接地，另一端（高压端）经高压套管引出；l外壳绝缘按全电压考虑；l多适用于200300kv及以下l高压绕组中点与铁芯相连，其他两端分别于绝缘筒两端的金属极板相连；l高压绕组对铁芯绝缘也只要考虑0.5Un；l体积小，质量轻，多在户内使用由被测试样在最不利的试验

6、条件下需要的电流来确定。3）.容量：由负荷的性质、大小而定被试品Cx不大（1000pf）的时候：UN=100150KV的变压器，高压绕组的电流应按0.20.3A；UN=500KV的变压器，高压绕组的电流应按0.5A；更高电压等级的变压器，高压绕组的电流应按1A；在特殊情况下，例如对于长电缆的试验，变压器必需的容量：PsU2C式中 U 试验电压，kV；C 试样电容，F；Ps 变压器容量，VA。（1）圆盘形绕组如图5-1所示，输出电压在几十千伏以下时，绕组由几个线圈串联组成。图5-1 圆盘形绕组4）.变压器绕组方式：（2）圆筒形绕组结构如图5-2所示，低压绕组内侧与铁心相连，高压绕组同轴地套在低压

7、绕组的外侧，内侧接地，外侧为高压输出。高压绕组的电压由内侧至外侧逐层升高，各层间采用与线圈同轴的绝缘筒进行绝缘，每层线圈的匝数也随电压的升高而减少，并且远离铁心部分。图5-2 圆筒形绕组2.试验变压器串级装置 由于受到体积和重量的限制，单个试验变压器的额定电压不可能做得太高。当所需工频电压很高往往采用串级线路把几台试验变压器串接起来。串级联接：将高压绕组串联起来，高压侧电压叠加后得到很高的输出电压，每台变压器的绝缘要求和结构可大大简化，减轻绝缘难度，降低总价格。图5-3 由单高压套管变压器元件组成的串级变压器示意图 2U2 U2 T3 2 1 3 21T2 3 2 1T1 3U2输出的额定电流

8、：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装置输出额定容量：3U2 I2整套装置总容量：6U2 I2目前最常用的串级方式：自耦式串级变压器，高一级的变压器的励磁电流由前面一级的变压器来供给一般串联级数n34装置T3容量为：P3=U2I2=U1I1；T2的容量：P2=U1I1=U2I2+U3I3=2U2I2；T1的容量为：P1=3U2I2总容量为:P1+P2+P3=6U2I2输出额定容量为Pn=3 U2I2T.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3.试验变压器的调压调压器的作用：

9、试验变压器的输入，使试验变压器的电压从零调节到指定值固定的电源电压试验中常用的调压供电装置有下列几种：自耦调压器移卷调压器感应调压器电动一发电机组接触式手动调压器及其内部结构各种调压装置的特点和适用场合page116调压器应该满足以下基本要求：(1)电压应该平滑地调节，在有滑动触头的调压器中，不应该发生火花。(2)输出电压质量好：调压器应在试验变压器的输入端提供从零到额定值的电压，电压具有正弦波形且没有畸变。(3)调压器的容量应不小于试验变压器的容量。(4)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。4.串联谐振电路交流高压还可以通过由马达带动的发电机或电池供电的

10、振荡器产生；有效的利用谐振效应，产生的交流高压不含有不需要的其他谐波 串联谐振CR L串联谐振装置的等效电路 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

11、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。串联谐振电路的简化图如5-4所示。图中被测试样如电缆用电容来代替与可动线圈电抗器串联。电抗器的电感可以改变并与电源频率下电容负荷的阻抗相匹配。这样构成的串联谐振电路在受到与电网相连的调压器的激励时将产生高压。图5-4 串联谐振电路简化图 泰斯拉（Tesla）线圈是空心升压变压器。它有两个电容器调谐的绕组，如图5-5所示。当火花间隙G1在预定的电压值击穿时，由L1和C1组成的原边调谐电路将闭合。产生高频衰减振荡，其频率一般在104105Hz。图5-5 泰斯拉（Tesla）线圈电路图 在原边电路

12、中的振荡电流将在副边调谐电路L2C2中感应振荡。这样，此过程每重复一次，原边火花间隙就闪络一次；因此，供给电路的电源可以是交流，也可以是直流，如果原边输入几千伏的电压，输出电压能够达到1MV。因为泰斯拉线圈输出电压波形复杂，并且火花间隙还会辐射无线电干扰，所以偶尔才用于正常工频运行下的设备，一般主要用它来做通讯系统的高频高压试验。5.1.2 工频高电压的测量最常用的测量方法有：用测量球隙或峰值电压表测量交流电压的峰值，用静电电压表测量交流电压的有效值峰值电压表和静电电压表还常与分压器配合使用以扩大仪表的量程；分压器低压侧输出的被测信号送示波器显示波形在测量很高的电压时，利用电压互感器的方法既不

13、经济，也不方便。由于高压放电的分散性比较大，一般对测量精度的要求不高。按现行的国家标准和国际标准（IEC）规定，无论是有效值或峰值，都要求误差不超过 3。工频高电压测量的精度要求从 变 压 器 的 初 级（P1P2端）或 由 附 加 的 测 量 绕 组（P3P4端）测得 电 压 值 再 乘 上 变 压 比，从 而 求 得 高 压 侧 输 出 电 压 值 是 最 便 捷的方法，但误差通常较大，常起辅助指示作用。图5-6 几种工频高压的测量方法原理接线图R1 R2一保护电阻 V.D.一分压器 T.O.一试样S.V.一静电电压 Q 一球隙 T 一高压试验变压器50750kv实验变压器应专设的测量绕组

14、初级电压引出的端子，供测压用1.用球间隙（气体放电间隙）测量工频高压 测量球隙由一对相同直径的金属球构成。当球隙距离d与直径D之比不大时（0.5），球隙间的电场为稍不均匀电场，其击穿电压决定于球隙间的距离。测量球隙，可以测量交流电压的峰值，直流电压的峰值，冲击电压的峰值。1）测量原理水平式（球径25cm）直径更大的球隙则使用垂直式装置（如图5-7）。使用时下球极接地，上球极接高压。图5-7 垂直球隙及应保证的尺寸P一高压球的放电点 R一球隙保护电阻2）.球间隙组成两个直径相等的金属球极，一般紫铜、黄铜制成，球面光洁，干燥，曲率均匀。适当的球杆；操作机构；绝缘支撑物；连接被测电压的引线；垂直型标

15、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。当球隙距离不大于0.4D时，其测量不确定度在5%以内。（2）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%。（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。3）.球间隙使用注意 国际电工委员会在1960年制订了在标准大气条件下标准球隙的距离与工频放电电压（峰值）的关系表（GB311-83）。其误差不大于3%，当测量时的大气条件不同于标准大气条件时，

16、需要进行校正。方法如下：U试验中大气条件下的放电电压UH 标准大气条件下的放电电压 Kr修正系数，可由表5-1查得 U=KrUH 表5.1 空气相对密度 与修正系数Kr的关系空气相对密度 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1.0 1.05 1.10修正系数ki0.72 0.77 0.81 0.86 0.91 0.95 1.0 1.05 1.09测试球隙:应用击穿电压与距离的近似关系制成原理通常有两种图5-8峰值电压表的原理(a)利用电容电流测电压峰值的接线(b)利用电容器C上的整流充电电压侧峰值2.峰值电压表(1)利用利用整流电容电流整流电容电流测量交流高压测量交流高压 被

17、测高压u，当其随时间变化时，流过电容C的电流 当 为正半波时，电流经整流元件D1，及检流计G流人地中（如图5-8(a)，若流经G的电流平均值为Ia。则它与被测电压的峰值Um，有下述关系式中 C 电容器的电容量；被测电压的频率。(2)利用电容器上整流充电电压整流充电电压测量交流高压 如图5-8(b)所示，被测交流电压经整流管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。则电压峰值式中 T 交流电压的周期；Ud一电压；C 一电容器的电容量；R测量电阻值。S fl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 静电

18、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。3.静电电压表图5-9 平板电极间的电场和静力吸力测量此静电力的表计称为静电电压表。测量精度在 3以内 静电电压表的典型结构如图5-10所示，保护电极的中央设有一个可动圆板电极，可动电极在静电吸引力的作用下产生移动，移动量经放大后，由指针读出。该装置具有耗电量小、波形和电压频率引起的误差小等优点，但由于静电力很小，摩擦会造成测量误差。图5-10 静电电压表静电电压表：应用高压电场下的静电感应(5-8)若有一对电极，电极间距离为l，电容为C，所加电压瞬时值为u，则此电容的电场能量W为：假定静电电压表的两电极接在交流电源上，当

19、极板作无穷小的移动 dl时，电场能量将发生变化dW，两值必然相等，故电极所受到的作用力可表示为：(5-9)公式推导过程：若u按正弦函数作周期性变化。即(5-10)则在一个周期T内，电极所受作用力的平均值F(5-11)(5-13)上式中U,l,S 的单位分别为kV,cm,cm2，由（5-13）得(5-14)对于平行极板的情况下，由于极板间为均匀电场，则其电容=(5-12)可见电场作用力与电压平方成正比，所以它的偏转方向与被测电压的极性无关。因此，静电电压表既能测量直流又能测量交流电压。所测为电压有效值。静电电压表的内阻很高，因此在测量时几乎不会改变被测试样上的电压；这是它的突出优点。对于电压等级

20、不太高的试验，使用它能很方便地在高压端直接测出电压。目前我国已研制成功测量范围为0500kV的一系列静电电压表。在被测电压高于200kV时，直接用指示仪表测量高压比较困难，通常采用分压器配用低压仪表测量高压。分类：电容分压器，电阻分压器原理：阻抗分压4.分压器1）.电容分压器C2C1U1U2交流电容分压器 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

21、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。ic2）.高阻分压器和串有高阻的电流表U2U1Z1Z2高阻分压器 I2U1Z1Z2AP高阻与电流表串联 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，

22、同时可以防止电晕放电和绝缘泄漏。分压器图片：应用阻抗分压的原理AVkVA VT5.1.3 绝缘的工频耐压试验1.工频高压试验的基本接线 图5-12 工频高压试验的基木接线图调压器谐波滤波器工频高压装置被测试品变压器保护电阻测量球隙保护电阻高压静电电压表测量球隙低压侧电压表 按规定的升压速度提升作用在被测试品TO上的电压，直到等于所需的试验电压U为止，这时开始计算时间。为了让有缺陷的试品绝缘来得及发展局部放电或完全击穿，达到U后还要保持一段时间，一般取一分钟就够了。如果在此期间没有发现绝缘击穿或局部损伤（可通过声响、分解出气体、冒烟、电压表指针剧烈摆动、电流表指示急剧增大等异常现象作出判断）的情

23、况，即可认为该试品的工频耐压试验合格通过。工频高压试验的实施方法：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），限制短路电流和阻尼放电回路的振荡过程2.试验中需注意的问题2）试验电压的波形畸变与改善原因：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。u1CLC L Tu1图5-13 试验变压器原边并联LC谐振回路以改善波形 若主要需减弱三次谐波，则LC回路可按 来

24、选择其参数，为基波角频率，即50Hz。这样使励磁电流中的三次谐波分量有了短路回路，可保证输出电压基本上为正弦波。若还存在五次谐波分量，则可再并联另一个LC串联谐振回路，并按 来选择其参数，滤波电容一般可选取C=610F。5-3高压实验室中被用来测量交流高电压的方法常用的有几种？page131 答：用测量球隙或峰值电压表测量交流电压的峰值，用静电电压表测量交流电压的有效值（峰值电压表和静电电压表还常与分压器配合使用以扩大仪表的量程），为了观察被测电压的波形，也可从分压器低压侧将输出的被测信号送至示波器显示波形。5-4简述高压试验变压器调压时的基本要求。答：试验变压器的电压必须从零调节到指定值，同

25、时还应注意：(1)电压应该平滑地调节，在有滑动触头的调压器中，不应该发生火花；(2)调压器应在试验变压器的输入端提供从零到额定值的电压，电压具有正弦波形且没有畸变；(3)调压器的容量应不小于试验变压器的容量。5-5 35kV电力变压器，在大气条件为时做工频耐压试验，应选用球隙的球极直径为多大？球隙距离为多少？解：根据规程，35kV电力变压器的试验电压为 因为电力变压器的绝缘性能基本上不受周围大气条件的影响，所以保护球隙的实际放电电压应为 若取 也就是说，球隙的实际放电电压等于106.9kV(最大值）。因为球隙的放电电压与球极直径和球隙距离之间关系是在标准大气状态下得到的，所以应当把实际放电电压换算到标准大气状态下的放电电压U0，即 查球隙的工频放电电压表，若选取球极直径为10cm，则球隙距离为4cm 时，在标准大气状态下的放电电压为105kV(最大值）。而在试验大气状态下的放电电压 5-6工频高压试验需要注意的问题？答：在电气设备的工频高压试验中，除了按照有关标准规定认真制定试验方案外，还须注意下列问题：(1)防止工频高压试验中可能出现的过电压；(2)试验电压的波形畸变与改善措施 小 结本节主要介绍了工频高电压的产生方法及其装置。当所需试验电压很高时，常采用串级装置来产生所需高压。工频高电压试验的基本接线图和实施方法。