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1、第一篇 高电压绝缘与试验,第三章 电气设备绝缘试验技术,主要内容,3-1 绝缘参数的测量(电气设备特性试验)3-2 工频高电压试验(交流耐压试验)3-3 直流高电压试验(直流耐压试验)3-4 冲击高电压试验,电介质理论仍远未完善，须借助于各种绝缘实验来检验和掌握绝缘的状态和性能。,为什么要进行电气设备绝缘试验,为了电力系统安全可靠的运行。绝缘往往是电力系统中的薄弱环节，绝缘故障通常是引发电力系统事故的首要原因。,电力设备绝缘在运行中受到电、热、机械等各种因素的作用，其性能将逐渐劣化，出现缺陷，造成故障。,通过对绝缘的试验和各种特性的测量，了解并评估绝缘在运行过程中的状态，从而能早期发现故障,电
2、气设备的绝缘试验,非破坏性试验(检查性试验或特性试验) 测绝缘电阻（吸收比）、泄漏电流、介质损耗、局部放电等。,破坏性试验(耐压试验)检查绝缘的电气强度：工频耐压、感应耐压、直流耐压、雷电和操作冲击特性。,耐压试验（破坏性试验）优点：对绝缘考核严格，能保证绝缘具有一定的绝缘水平和裕度。缺点：只能离线进行，并可能在试验中给绝缘造成一定的损伤。,特性试验（非破坏性试验）优点：在较低的电压下或者其他不会损伤绝缘的方法测量绝缘的各种情况，从而判断绝缘内部的缺陷。缺点：对绝缘耐压水平的判断比较间接。,按照设备是否带电的方式分类在线：被测设备处于带电运行状态，连续或定时监测。离线：被测设备退出运行状态，周
3、期性的间断测量。,绝缘预防性试验准则,后进行破坏性试验,先进行非破坏性试验,电气设备绝缘缺陷分类集中性缺陷 (如绝缘开裂、局部磨损、局部受潮、介质中内含气泡、杂质等)分布式缺陷 (绝缘全面受潮、老化、变质等),3-1 绝缘参数的测量3-2 工频高电压试验3-3 直流高电压试验3-4 冲击高电压试验,3.1 绝缘参数的测量,3.1.1 绝缘电阻和吸收比的测量3.1.2 介质损失角正切tg的测量3.1.3 局部放电的测量3.1.4 绝缘油的色谱分析,绝缘电阻 最基本的综合性特性参数。 吸收比通过测量绝缘电阻可获得吸收比.检验绝缘是否严重受潮或存在局部缺陷。,3.1.1 绝缘电阻和吸收比的测量,开关
4、S合闸作为时间的起点，在的极短时间内，层间电压按下式分布。,双层介质的吸收现象,双层介质等效电路图,达到稳态时（t），层间电压按电阻分配,此时回路电流为电导电流,吸收和泄漏电流及绝缘电阻的变化曲线,由于吸收现象，U1 U10，U2 U20，在这个过程中的电压按下式变化,流过夹层电流：,绝缘上的电阻值为：,当绝缘严重受潮或出现导电性缺陷时，阻值R1、R2 或两者之和显著减小， 减小，Ig大大增加，而ia迅速衰减。,Ig:电导电流ia:吸收电流,绝缘电阻指吸收电流按指数规律衰减完毕后测得的稳态电阻值，测量绝缘电阻可有效反应绝缘整体受潮、局部严重受潮或贯穿性缺陷等。,不同绝缘状态下的绝缘电阻的变化曲
5、线,吸收过程长，绝缘电阻大,吸收过程短，绝缘电阻小,R60已经接近于稳态绝缘电阻值R，K恒大于1。如绝缘良好，吸收现象显著，则K 值较大；如果绝缘受潮或内部有集中性的导电通道，由于Ig大大增加，而Ia迅速衰减， K 值接近于1.,试品容量小，吸收比：,绝缘状态的诊断,吸收比是同一试品在两个不同时刻的绝缘电阻的比值，所以排除了绝缘结构和体积尺寸的影响。 注意：通常以K大于1.3作为设备绝缘状态良好的标准，但是还要结合电阻值的大小进行综合判断。如，有些变压器的K虽大于1.3，但R值却很低。所以应将R值和K值结合起来考虑，方能作出比较准确的判断。,大容量电气设备中，吸收现象延续很长时间，吸收比不能很
6、好地反映绝缘的真实状态，用极化指数再判断。,试品容量大，极化指数：,如绝缘良好，极化指数不小于1.5。,为加压10 min时的绝缘电阻R10与1 min时电阻R1之比值,测量绝缘电阻可有效地发现下列缺陷：总体绝缘质量欠佳；绝缘受潮；两极间有贯穿性导电通道；绝缘表面情况不良；测量绝缘电阻不能发现下列缺陷：(1) 绝缘中的局部缺陷(如非贯穿性的局部损伤、含有气泡、分层脱开等)；(2) 绝缘老化(因为老化了的绝缘，其绝缘电阻还可能 是相当高的)。,测量仪表：一般用兆欧表进行绝缘电阻与吸收比的测量。为了测准吸收比，需用灵敏度足够高的兆欧表兆欧表的电压：500、1000、2500、5000V等 兆欧表的
7、种类:摇表：现场仍较多采用带有手摇直流发电机的兆欧表，俗称摇表;晶体管兆欧表：采用电池供电，晶体管振荡器产生交变电压，经变压器升压及倍压整流后输出直流电压兆欧表选择：根据设备电压等级的不同，选用不同电压的兆欧表额定电压1kV及以下者使用1000V兆欧表1kV以上者使用2500V兆欧表,测量绝缘电阻与吸收比的方法,兆欧表结构电源部分：兆欧表内装有直流电源，一般为手摇发电机。要求手摇速度为60转/分,内部再把交变电压整流为直流电压输出;,兆欧表的原理结构图,由两个互相垂直、绕向相反的线圈电压线圈(1)和电流线圈(2)和指针组成。它们处于同一永久磁场N-S中。三个接线端子：线路端子（L）、接地端子（
8、E）和保护端子(G)R1串联在电压线圈的电阻R2串联在电流线圈的电阻,电压线圈,电流线圈,测量机构：,当电流I1流过电压线圈1时，有力矩M1作用在线圈1上。同样，I2流过电流线圈2时有力矩M2作用在线圈2上。M1、M2分别为 其中 F1()、 F2()随指针转动角度而变与气隙中磁通密度分布有关。平衡时 故 或由,（Rx为试品绝缘电阻）,兆欧表的测量原理,即指针读数反映Rx的大小,指针偏角与绝缘电阻关系：,图为手摇式兆欧表测量电力电缆绝缘电阻的接线图。,兆欧表有三个接线端子：线路端子（L）、接地端子（E）和保护（屏蔽）端子（G）。被试绝缘接在端子L和E之间，而保护端子G的作用是使绝缘表面泄漏电流
9、不要流过线圈测得的绝缘体积电阻不受绝缘表面状态的影响。,泄漏电流测量,将直流高压施加到被试品上，测量流经被试绝缘的泄漏电流。 测量泄漏电流本质上也是测量绝缘电阻。由于所加直流试验电压比测量绝缘电阻时高得多。因此更能有效地发现一些尚未完全贯通的集中性缺陷。,测量电力变压器主绝缘泄漏电流的接线,加直流用微安表直接测量,T1调压器；T2高压试验变压器；D高压硅堆R保护电阻；C滤波电容；T被试变压器,tg的测量一般使用交流高压电桥(西林电桥)平衡电桥和不平衡电桥两种。对大容量的试品如：电容器，长电缆也可用低功率因素瓦特表进行测量。 下面以西林电桥为例介绍tg的测量方法。,3.1.2 介质损失角正切tg
10、的测量,tg的测量方法西林电桥(QS1型),QS1型电桥原理接线图,高压臂 试品的Zx： Rx：被试品等值电阻;Cx：被试品等值电容; 无损耗的标准电容CN，以阻抗ZN作为表示低压臂 处在桥箱体内可调无感电阻R3 ，以Z3来代表无感电阻R4和可调电容C4的并联回路，以Z4来代表,V：放电器；G：交流检流计,电桥基本结构,调节R3和C4，检流计的电流为0，电桥平衡，有：,式中：,测量原理,求得试品的等值电容Cx和等值电阻Rx,介质并联等值电路的介质损耗角正切,=2f =100，如取R4=10000/ ，并取C4的单位为F，则简化为：,即电容C4的微法值就是介质损耗角正切值,试品电容,QS1型西林
11、电桥接线方式,注意：各个调节元件处于高电位，故必须保证足够的绝缘水平和采取可靠的保护措施。,正接法,反接法,现场试验中：有许多一端接地的试品，如敷设在地下的电缆及摆在地面的重大电气设备，要改成对地绝缘是不可能的，只能改变电桥回路的接地点。这样就产生了一种反接法的西林电桥,电场影响杂散电容电流；杂散电导电流；试品表面泄漏；周围其它试品的影响；外界电源对电桥的干扰；解决方法：加设屏蔽；采用移相电源；采用倒相法磁场影响解决方法：将电桥移到磁场干扰范围以外；将检流计极性开关置于不同位置时调节电桥平衡测得试品介损和电容值再求平均值。,电桥测量的影响因素,温度tg随温度增高而增大（固体电介质具有负温度系数
12、）。为便于比较，通常将各种温度下测得的值换算到20时的值。试验电压良好绝缘的tg不随电压的升高而明显增加。当绝缘存在故障时， tg值随电压升高呈非线性变化。试品表面泄漏测试前应清除绝缘表面的积污和水分，必要时还可以在绝缘表面上装设屏蔽极。试品电容量对于大容量的试品，能发现整体分布性缺陷，用测量tg的方法来判断绝缘状态就不很灵敏了。,影响tg测量值的主要因素,tg能反映绝缘的整体性缺陷(全面老化)和小容量试品中的严重局部性缺陷；tg随电压变化的曲线可以判断绝缘是否受潮，含有气泡及老化的程度；大容量的设备绝缘存在局部缺陷时，应尽可能将设备解体后分解测量进行分析。,绝缘状态的诊断,在电场的作用下，导
13、体间仅部分介质被击穿的电气放电现象称为局部放电。包括表面局部放电和内部局部放电。局部放电是引起电介质老化的重要原因之一。 测定电气设备在不同电压下的局部放电强度和发展趋势，能判断绝缘内是否存在局部缺陷。 局部放电检测及测量方法 脉冲电流法。,什么是局部放电？,3.1.3 局部放电的测量,为什么要进行局部放电的测量？,视在放电量(q)：指产生局部放电时，一次放电出现的瞬变电荷。单位（pC）放电起始电压(Ui)：指试品产生局部放电时，在试品两端施加的电压值。放电熄灭电压(Ur)：指试品中局部放电消失时试样两端的电压值。放电重复率(N)：指单位时间内局部放电的平均脉冲个数。放电能量(W)：指在一次放
14、电中所消耗的能量。,局部放电其它参数 平均放电电流；放电的均方率；放电功率；,局部放电量的表征参数,（a）固体介质中 局部放电示意图,（b）局部放电分析的等值电路,Cg:气隙的电容；Cb:与气隙串联部分介质 的电容；Ca:其余部分介质的电容；g:气隙厚度；d:整个介质的厚度,局部放电的机理分析,绝缘内部有一气隙缺陷的等值电路图:三电容等值电路,CaCgCb,设U=Umsin t 气隙上电压为：,Ur指气隙的熄灭电压,放电过程：Ug气隙放电至气隙的熄灭电压Ur熄灭完成局部放电,气隙压降：,气隙g放电时，气隙的等值电容,真实(实际)放电量(qr)(不可测)：气隙一次放电过程转移的正电荷(负电荷)的
15、电荷量。 由于气隙处于固体介质内部，气隙很小，放电时出现的qr或Ug均很小，测出这些参量是相当困难的。为此，引入了视在放电电荷q的概念。,Ca上的电压变化为：,Ua及q是可以测量的，常将q作为度量局放强度参数；,视在放电量(可测量)：,视在放电量与真实放电量的关系：,放电过程示意图：外部电压u、空间电荷q、气隙电压uc的时间变化图,直流电压下，单位时间内放电次数要比交流下低得多；直流下局部放电产生的破坏作用远比交流下小。,交流电压与直流电压作用下的局部放电的差异,局部放电的检测方法,a 并联法测试回路,b 串联法测试回路,c 平衡法测试回路,Cx：试品； Ck：耦合电容；Zd：检测阻抗； Zm
16、：高压滤波器；M： 测量仪器； U: 试验电压,局部放电的脉冲电流检测方法电检测法,与试品构成使脉冲电流流通回路，并具有隔离工频高电压直接加在检测阻抗Zd上的作用,将局部放电产生的脉冲电流转化为脉冲电压,一方面阻塞放电电流进入试验变压器，另一方面抑制从高压电源进入的谐波干扰,并联法多用于试品电容较大或试品有可能被击穿的情况下，过大的工频电流不会流入检测阻抗Zd而将Zd烧损并在测试仪器上出现过电压的危险。某些试品在正常测量中无法与地分开，只能采用并联法测量线路。,串联法多用于试品电容较小情况下，耦合电容具有滤波作用，能够抑制外部干扰，而且测量灵敏度随Ck/Cx的增大而提高，在相同条件下，串联法比
17、并联法具有更高的灵敏度。Ck可利用高压引线杂散电容来充当，串联法在220kV电压等级的产品中多被采用。,平衡法是利用电桥平衡的原理将外来的干扰消除掉，因而抗干扰能力强。需要两个相似的试品，其中一个充当耦合电容。电桥平衡的条件与频率有关，往往采用两个同类试品作为电桥的两个高压臂以满足平衡条件,检测阻抗RC 型检测阻抗RLC 型检测阻抗,局部放电量标定,图中用幅值为U0的方波电压源串联小电容C0组成人工模拟支路,其中, H0为局部放电检测仪的显示器上可测得的脉冲高度,绝大多数大型电力变压器选用油纸或油和纸板组成的绝缘结构。当变压器内部发生热故障、放电性故障或者油、纸老化时均会产生各种气体。所产生的
18、气体在油里经对流、扩散，不断地溶解于绝缘油中。发热和放电的产生程度不同，所产生的气体种类、油中溶解气体的浓度、各种气体的比例关系也不相同。如，当固体绝缘发生故障时，CO和CO2会明显增长。,3.1.4 绝缘油中溶解气体的色谱分析,油中溶解气体的组分和含量可以作为反映充油式电力变压器绝缘故障的特征量,油中所含溶解气体,H2,C2H4,C2H2,CH4,C2H6,故障类型和特征气体关系,绝缘状态的诊断三比值编码诊断方法,油中溶解气体气相色谱分析的优点： 能够发现充油电气设备中的一些用tg等方法所不能发现的局部性缺陷(如局部过热、电弧放电)，测试油中气体含量不需要设备停电。,3.1 绝缘参数的测量3
19、.2 工频高电压试验3.3 直流高电压试验3.4 冲击高电压试验,在高电压实验室用工频（交流）高电压、直流高电压、雷电冲击、操作冲击电压等模拟电气设备的绝缘在运行中承受的电压，用以考验各种绝缘耐受这些高电压作用的能力。,什么是高电压试验？,特点：具有破坏性试验的性质；在非破坏性试验项目合格后进行，以避免或减少不必要的损失。难点：由于输电电压和相应要求的试验电压在不断提高，要获得各种符合要求的试验用高电压越来越困难，这是高电压试验技术发展中首先需要解决的问题。,工频耐压试验是考核电气设备绝缘裕度的主要方法。试验电压值的确定是整个试验的关键，是按照电气设备在运行中可能遇到的各种过电压和长期运行工作
20、电压来确定。,电气设备绝缘的试验电压标准称为电气设备的绝缘水平。,我国国家标准(GB/T 16927-1997)规定了各种电压等级电气设备的试验电压值,3.2 工频高电压试验,规定：在设备绝缘上加上工频试验电压1min.，不发生绝缘闪络或击穿现象，则认为设备绝缘是合格的。,工频高电压的获得主要是采用高压试验变压器或其串级装置来产生。 对电缆、电容器等电容量较大的被试品，可采用串联谐振回路来获得试验用的工频高电压。?,3.2.1 工频高电压的产生,工频高压装置是高压实验室中最基本的设备，也是产生其他类型高电压的设备基础部件。,工频高压试验装置的作用,工频耐压原理接线,1-电源开关；2-调压器；3
21、-电压表；4-试验变压器；5-变压器的保护电阻；6-试品；7-测量铜球保护电阻；8-测量铜球,电源开关,调压器,电压表,试验变压器,变压器保护电阻,测量铜球保护电阻,试品,测量铜球,试验变压器的特点（试验变压器在原理上与电力变压器并无区别，只是）电压高。试验电压可达2250kV；变比大漏抗较大(短路电流较小) 由于电压高，所以要采用较厚的绝缘及较宽的间隙距离，因此试验变压器的漏抗大。绝缘裕度小 试验变压器本身应有很好的绝缘，但绝缘裕度小，试验过程中要严格限制过电压 ；体积小,试验变压器,连续运行时间短 试验变压器连续运行时间不长，发热较轻，因而在结构上不需要复杂的冷却系统 ；,容量小试验变压器
22、大多数情况下是工作在电容性负荷下？；而电力变压器一般工作在电感性负荷下。试验变压器高压侧电流I和额定容量P主要取决于试品的电容(试验变压器大多数工作在容性负荷下)。试验变压器负载容量,与电力变压器相比，其运行条件不同,(a) 全绝缘(单套管) (b) 半绝缘(双套管),试验变压器的结构型式全绝缘和半绝缘试验变压器,全绝缘试验变压器特点：输出高压端对壳绝缘，承受全部高压，高压绕组对壳为全绝缘。需一支套管承受；,半绝缘试验变压器特点：具有两只输出高压套管，高压绕组对壳绝缘为输出额定高压的一半。外壳对地绝缘。该结构绝缘利用比较合理，能减少尺寸、减轻重量。,变压器的体积和重量近似地与其额定电压三次方成
23、比例。当所需的工频试验电压很高（超过750kV）时，采用单台试验变压器在技术和经济上不合理。,串级高压试验变压器,串接试验变压器,使几台变压器绕组的电压相叠加，产生更高电压。,串级试验变压器结构,T1:第1级试验变压器；1：低压绕组T2:第2级试验变压器；2：高压绕组T3:第3级试验变压器；3：励磁绕组,输出电压,第一级输出电压,第二级输出电压,高一级的变压器的激磁电流由前一级变压器提供，因此每级变压器的容量不同。,每一级高压绕组中流过的电流相同，用I2表示；每一级试验变压器高压端对壳的电压相同，用U2表示。,每级变压器的容量： T3容量：U2I2 T2容量：2U2I2=U2I2(负荷)+U2
24、I2(T3励磁) T1容量：3U2I2=U2I2(负荷)+2U2I2(T2励磁) 输出电压：3U2，电流I2，功率：3U2I2,电位分布： T1：内、外（套管）绝缘：U2 T2：内、外（套管）绝缘：U2，支柱绝缘：U2 T3：内、外（套管）绝缘：U2，支柱绝缘：2U2,串级试验变压器容量： W试 = 3U2I2 = 3W各级试验变压器总容量： W装 = U2I2+2U2I2+3U2I2 = 6W,装置利用率 W试/ W装=0.5,n级串级装置的容量利用率,由此可见：级数n ， 。因此，工程中级数最多不超过3级。且漏抗随串接级数增加而迅速增加。,需要产生不同的试验高电压； 过电压的产生； 如果在
25、试验变压器初级绕组上突然从零开始升压，由于励磁涌流在被试品上产生过电压；或试验中突然切断电源，切除空载变压器也将引起过电压。因此，必须通过调压器升压和降压。,常用的调压装置,为什么要采用调压装置？,对调压的基本要求：调压要均匀平滑，每级电压的变动要很小；电压波形不能畸变；调压应处于稳定的工作状态。,常用的调压设备：自耦调压器；移圈式调压器；电动发电机组。,自耦调压器,副边电压抽头是一滑动触头(碳刷)，沿着绕组移动。通过改变滑动触头的位置改变副边绕组的匝数，从而调节输出电压 U2。,特点：这种调压器实际上是分级调压，而不是均匀调压，只不过每一级分得很细。调压器漏抗小、波形较好，但容量小。,线圈C
26、和线圈D匝数相同而绕向相反，两线圈串联。线圈K是一个短路线圈，它套在C和D之外，可上下移动，起调节电压的作用。K的匝数与C和D相同。特点：这种调压器容量可以作得较大（无触点）。但调压器的体积较大，波形稍有畸变。,移圈式调压器,移圈式调压器的原理接线,移圈式调压器的结构,移圈式调压器,优点：不存在滑动出头及直接端接线匝问题，容量可做得很大；调压均匀。缺点：体积大，价格昂贵、短路阻抗非线性，易发生串联谐振、输出波形有畸变。,原理：由电动机带动同步发电机的转子旋转，调节发电机的励磁电流来调节发电机的输出电压。,电动发电机组,优点：可得到很好的正弦波、调压均匀，不受电网电压的影响，调压质量最好；容量可
27、以很大。缺点：投资及运行费用较大。,电容效应(容升效应),“容升”原理及测量误差分析,措施：也可在一定的试品下作出测量绕组的电压与输出高压之间的校正曲线。,工频试验中应注意的几个问题,由于存在“容升效应”，不能以变压器的变比估计试品上的电压，须对试品电压进行直接测量。,变压器高压侧的输出电压比按空载变比所预期的值高“容升”现象,当Cx较小时，在升压过程中，可能出现L1/C的情况，此时它在Cx上会产生过电压而损坏试品。,抑制措施：试品应并接球隙进行保护。,在试品上可能出现串联谐振过电压,试品或球隙放电引起的恢复过电压 试品突然击穿或放电，由于绕组内部电磁振荡过程在试验变压器匝间绝缘（纵绝缘）上引
28、起的过电压。 防止措施： 在试验变压器的高压测出线端串接一保护电阻R1限制过电流和过电压，保护电阻应具有足够的热容量和绝缘强度。,暂态过程,保护电阻R的作用防止试品放电时所产生的电压截波对试验变压器绕组绝缘的损伤；限制试品放电的过电流；阻尼CT （变压器）和C0 （试品）间的振荡；抑制试品闪络时的恢复过电压。,保护电阻R的选取原则 阻抗按0.1/V取，(不超过100k)由金属电阻丝或水电阻构成。长度按150200kV(r.m.s)/m选取。,保护电阻,工频高压试验的作用；工频高压试验接线原理图；工频试验变压器特点；工频高压试验的几种调压方式；工频试验中应注意的问题。,小 结,3.1 绝缘参数的
29、测量3.2 工频高电压试验3.3 直流高电压试验3.4 冲击高电压试验,3.3 直流高电压试验,3.3.1 直流高电压的产生3.3.2 稳态高电压的测量,被试品的电容量很大的场合(例如长电缆段、电力电容器等)，用工频给交流高电压进行绝缘试验时会出现很大的电容电流，要求试验装置具有很大的容量，很难做到。这时可用直流高电压试验来代替工频高电压试验。绝缘试验测量泄漏电流需要在直流高压下进行。冲击试验设备需要需要用直流高压作为电源。直流输电工程的增多促使直流高电压试验的广泛应用。各种输电设备需进行直流高压试验。,为什么要进行直流高电压试验？,将工频高电压经高压整流器而变换成直流高电压。利用倍压整流原理
30、制成的直流高压串级装置(或称串级直流高压发生器)能产生出更高的直流试验电压。,3.3.1 直流高电压的产生,1.半波整流回路,高压整流器,UT：变压器电压(有效值)Umax：直流电压最大值Umin： 直流电压最小值,高压整流器 主要技术参数 额定整流电流If 通过整流器的正向电流在一个周期内的平均值。 额定反峰电压Ur 当整流器阻断时，其两端容许出现的最高反向电压峰值。电路空载时整流器两端承受的反向电压：,最大反向电压：,平均直流电压：脉动幅值：脉动系数：,整流回路的基本技术参数,IEC和国标要求加在试品上的脉动电压的脉动系数不超过3%。,与Rx、C、f 有关,半波整流电路,负半波时,2.倍压
31、整流回路,正半波时,电压脉动：最大电压平均值：平均电压电压降落：脉动系数：,3.串级直流发生器,串级直流发生器原理图,电力系统中的高电压测量：电力运行部门测量交流高电压，是通过电压互感器和电压表来实现的。实验室的高电压测量：互感器在高电压实验室中用得不多。主要是采用别的方法来测量交流高电压。,3.3.2 稳态高电压的测量,高电压实验室中所要测得电压值常常比现有电压互感器的额定电压高许多，特制的互感器很昂贵；很高电压的互感器也比较笨重。,Why?,直接测量：测量球隙、静电电压表、 峰值电压表间接测量：分压器配合低量程的电压表、 高阻抗串联微安表,测量方法分类,利用气体放电测量高电压,利用静电力测
32、量交流高电压,利用整流电容电流测量交流高电压,结构：测量球隙是由一对相同直径的金属球所构成。加压时，球隙间形成一稍不均匀电场。原理：均匀(或稍不均匀)电场下空气间隙的放电电压与间隙距离有一定的关系。要保证测量球隙间的稍不均匀电场，铜球间隙距离S 与铜球直径D之比小于.。测量误差约23 。,测量球隙,特点：测量的是电压峰值，可用于测量直流、交流、和冲击电压；唯一能直接测量高达数兆伏的各类高压峰值的测量装置。使用时，必须接串接保护电阻以限制放电时的电流和振荡。击穿时延小，具有比较稳定的放电电压值和较高的测量精度 ，测量精度达3；50%冲击放电电压与静态放电电压的幅值几乎相等。,要达到球隙所能达到的
33、测量准确度，其结构和使用条件必须符合IEC或国家标准规定,（1）用球隙测量电压时，只有当间隙放电时才能从表上查出电压，而且每次放电必须跳闸，放电时可能产生振荡，又可能引起过电压，所以用球隙测量电压很不方便；（2）通常只用来校订别的测量仪器（如低压测的电压表）。使用时要制订校订曲线；,球隙法测量高电压的缺点,实际上就是在一定负荷下的试验变压器高、低压间的关系。,（3）气体放电有统计性，数据分散，必须取多次放电数据的平均值；（4）要校订大气条件；（5）不宜户外使用。,国际电工委员会综合比较了各国高压试验室所得实验数据编制成标准球隙放电电压表。,用测量施加电压的两板上的静电力的大小或是由该静电力产生
34、的某一极板的偏移（或偏转）来反映所加电压大小的表计称静电电压表。,原理：利用静电力测量电压。,直接测量静电力的表计称为绝对静电电压表。结构复杂，只应用于精密测量场合。测量由静电力产生的偏转角来反映外施电压大小的表计称为相对静电电压表。工程中广泛使用。,静电电压表,由静电场理论,静电电压表测得的是电压有效值,-偏转角；(l电容极板位移)；C-可动电极与固定电极之间的电容； W-电容在外加电压U时储存的能量；,M1由可动电极悬丝的反作用力M2来平衡，,k-与悬丝所用材料有关的常数,平衡时：,或,非绝对仪静电电压表：是利用可动电极位移（偏转）时，张丝所产生的扭矩或弹簧的弹力产生了反力矩，当反力矩与静
35、电力平衡时，可动电极的位移（偏转）到达一稳定值。通过与可动电极连接的指针偏转反映被测电压值。,非绝对仪静电电压表,绝对仪静电电压表：是当电极面积S已知的条件下，测量电极之间的作用力f以及极间距l，由此而计算出电极间所施加的被测电压。是一种精密而复杂的静电电压表。,电场作用力f与电压u的平方成正比。若施加电压为交流或含交流分量的直流电压时，作用力与电压的有效值成正比。,静电电压表的优点内阻抗特别大，几乎不消耗什么能量；能测量相当高的交流和直流电压。,注意：当用静电电压表测量直流电压时，其有效值略大于直流电压的平均值。根据IEC规定当直流电压的脉动系数不大于20%（实际上直流高电压设备的脉动系数小
36、于5%）可认为有效值和平均值相等。其测量准确度比测量球隙高，一般在1-2.5%。,利用电容电流整流来测量交流高压,利用电容器整流充电电压来测量交流电压,峰值电压表,优点：利用峰值电压表，可直接读出电压的峰值，与用球隙测压器测峰值相比，可大大简化测量过程。缺点：但是被测电压波形必须是平滑上升的，否则就会产生误差。,各种测量仪表的量程都是有限的，常常通过分压器来扩大仪表的量程；每一个分压器均由高压臂(Z1)和低压臂(Z2)组成，在低压臂上得到的就是分给测量仪器的低电压u2，总电压u1与u2之比称为分压比（K）。,分压器,分压器接线图,用低量程电压表测量得Z2上的电压，乘上分压比，即可得被测电压,分
37、压器基本要求：(1) 无波形畸变；(2) 分压比恒定；基本不受大气环境的影响；(3) 分压器接入对被测电压影响微小。(4) 分压器所消耗的电能应不大，不会对电源造成大的负载效应,电阻分压器,用来测量直流高电压的分压器，由电阻元件组成。,直流电阻分压器,电阻器：电压臂电阻R1的阻值通常很高一般由数个或数十个电阻元件串联组成,600kV直流电阻分压器,R1阻值的选择R1阻值的选择不能太小：否则会要求直流高压设备提供较大的电流I1，且其本身热损耗也太大，以致阻值不稳定而增加测量误差；另一方面也不能选得太大：否则由于I1过小而使电晕放电和绝缘支架的漏电都会造成测量误差；IEC规定电流I1：I1不低于0
38、.5 mA一般I1选择在0.52 mA之间。,（a）直流电阻分压器,造成电阻分压器测量误差的主要原因：电阻值不稳定，电阻本身发热或环境温度变化；电阻元件上或附近的电晕放电；绝缘支架的泄漏。仪器仪表误差,采取的一些措施：将电阻密封在绝缘筒内，充变压器油：既起加强散热的作用，且增加了绝缘强度。加装屏蔽罩和屏蔽壳：以抑制电晕。选择大电阻绝缘材料作支架：可通过选用绝缘电阻大的结构材料来减小漏电造成测量误差,电阻分压器测量交流高压的局限性：测量误差分析频率越高，电阻越大，杂散电容越大，测量误差也越大；较高电压的分压器的尺寸必定较大，对地杂散电容势必随之而增大；在测量较高电压时，电阻也必须增大，否则电流太
39、大，即对被测电压源不利，而且会造成分压器本身的温升太高，也会引起误差局限性 电阻分压器只适合于测量频率不过高和幅值不太高的交流电压。一般在工频电压下，只应用于几十千伏的电压等级下。,电阻分压器,电容器：高压臂电容器电容量要小且承受大部分高压及较小损耗，一般采用标准电容器；低压臂电容器电容要大，承受电压低，可采用油浸纸电容器、云母电容器等。,分压比：,电容分压器,用来测量交流高电压的分压器，由电容元件组成。,500kV交流电容分压器,高压臂由多个电容器元件串联组装而成,高压臂是一个气体介质的高压标准电容器,对地杂散电容,分布式分压器的高压臂各个电容元件的选择原则：应尽可能为纯电容，要求它的介质损
40、耗和电感量小高压臂电容取值既不能太大也不能太小；为了减小杂散电容的影响，C1值不应太小；但分压器的C1值的增大，不仅增加了投资费及分压器的尺寸，而且增加了工频试验变压器的负荷。C1应选择一合适的数值。在不考虑冲击电压测量时的专用交流电容分压器，一般C1取100200pF的数量,交流电容分压系统测量接线图,系统接线与屏蔽为防止空间杂散电场所造成的电容Cs的影响，低压臂电容及连接高压臂和电压表之间的导线都应屏蔽起来实际上连线是采用屏蔽电缆所有屏蔽应良好接地低压臂电容可以全部或部分放置在屏蔽电缆的任何一端,电容分压器存在对地杂散电容，但由于分压器本身也是电容，所以杂散电容只会引起幅值误差，而不会引起
41、波形畸变。,电容分压器的测量误差主要是由对地杂散电容引起的；测量误差只有幅值误差。电阻分压器测量误差的主要原因是电阻值不稳定和对地杂散电容引起的。不仅会造成幅值误差还有相位误差。波形有畸变。,小结,测量球隙静电电压表高电阻串联微安表电阻分压器,测量球隙静电电压表峰值电压表电容分压器,3.1 绝缘参数的测量3.2 工频高电压试验3.3 直流高电压试验3.4 冲击高电压试验,研究电气设备在运行中遭受雷电过电压和操作过电压的作用时的绝缘性能。高压电气设备在出厂试验、型式试验时或大修后都必须进行冲击高压试验。,3.4 冲击高电压试验,为什么要进行冲击高电压试验？,3.4 冲击高电压试验,3.4.1 冲
42、击高电压的产生3.4.2 冲击高电压的测量,单级冲击电压发生器基本回路,C0放电回路,标准雷电冲击全波采用的是非周期性双指数波。,高压硅堆,主电容,放电球隙,波头电阻,波尾电阻,充电电阻,3.4.1 冲击高电压的产生,单级冲击电压发生器,波前形成过程： C0对Cf充电波尾形成过程： C0和Cf并联通过Rt放电,C0U0,Rf,Cf,Rt,Cf+C0,球隙G放电,冲击电压发生器的近似计算,波前,时间常数,根据冲击视在波前时间T1的定义,由以上两式可以解得冲击电压视在波前时间,与Rf有关波头电阻,波尾电压u2可近似用下式表示,视在半峰时间,波尾时间常数,与Rt有关波尾电阻,单级冲击电压发生器能产生
43、的最高电压一般不超过200300kV。因而采用多级叠加的方法来产生波形和幅值都能满足需要的冲击高电压波。,多级冲击电压发生器,多级冲击电压发生器基本回路,T试验变压器 D高压硅堆 Rb保护电阻 R充电电阻 C1-C3-主电容,基本工作原理,电容器并联充电：主电容C通过整流源并联充电到电压U值（忽略杂散电容），若作用电压稍高于U，则各球隙便会击穿。,点火球隙点火：当需要使发生器动作时，可向点火球隙G1的针极送去58千伏的脉冲电压，针极和接地球面之间产生一小火花.,点1电位抬高：G1放电后，使点2从原先在充电下的U突变为零电位。而点1从原零电位变为U间隙G2放电：间隙G2两端便作用了2U的电位差，
44、它比能承受的一个U高了一倍，所以G2立刻放电点3电位抬高G3放电：点3的电位变为2U，G3的瞬间压差达到3U，也就立即放电。间隙G4放电：g4和g0跟着放电，各级电容器C就和诸Rf一起串联起来了。点5的电位可达3Um,R在充电时起电路的连接作用，在放电时起隔离作用。,-U,-U,-U,U,2U,3U,电容器串联放电：产生冲击电压的原理和单级冲击电压发生器相同。,电容器并联充电，而后串联放电,1,自起动方式：只要将点火球隙G1的极间距离调节到使其击穿电压等于所需的充电电压Uc，当G1 的电压上升到等于Uc时， G1即自行击穿，起动整套装置。方式二：使各级电容器充电到一个略低于F1击穿电压的水平上
45、，处于准备动作状态，然后利用装置产生一点火脉冲，送到G1的一个球电极上。,点火球隙的起动方式,冲击电压发生器特性参数：(1) 冲击电压发生器的额定电压(2) 冲击电压发生器的最大冲击能量(3) 发生器的效率,发生器的输出电压峰值与各级实际充电电压值的总和之比。,2400kV/240kJ冲击电压发生器,国家标准规定：额定电压大于220kV的超高压电气设备在出厂试验、型式试验中，不能象220kV及以下的高压电气设备那样以工频耐压试验来等效取代操作冲击耐压试验。,操作冲击高压的产生,（1）增加波前时间，会使发生器的利用系数降低，因此需采用高效率回路。（2）计算操作波回路参数时，不能用的雷电波的近似计
46、算法来计算操作波回路参数；要考虑充电电阻R对波形和发生器效率的影响。,国家标准规定的标准波形250/2500s，应注意以下两个问题：,利用冲击电压发生器产生操作冲击电压，需对各参数按波形要求做适当调整。,球隙U50%确定方法：a、简单方法（10次测量法） 某一电压作用于球隙距离上，10次中有4、5、6次闪络。 （相应6、5、4次不闪络）均可认为该电压为U50%。 b、多级法 至少5次，即选U1、U2U5 5个电压，每级电压施加10次，求得近似放电概率P%，在正态概率纸上作曲线，并可拟和为一条直线，由此直线求得U50%。,3.4.2 冲击高电压的测量,(1) 球隙测量法,c、升降法 先估计U50
47、% ,选择级差 d = U50% 3%，U50%加于间隙，若击穿，则下次加压减少d；若再击穿，则再减d即可，若再下次不击穿，则应加d。这样升降反复进行，约30次。,Ui某一级电压值；N 总加压次数 （20 40）；,冲击高电压的测量最终是以数字存储示波器、数字记录仪或是高压脉冲示波器来获得冲击电压的幅值和波形;一般示波器或记录仪输入电压最高不超过2kV，但待测电压常常是几十或几百万伏，因此在冲击电压发生器和示波器之间需要一中间环节-冲击电压分压器。冲击电压发生器有：电阻分压器、电容分压器、阻容分压器,(2) 分压器 - 示波器测量法,电阻分压器,误差分析：对地杂散电容使电阻分压器产生畸变。会造
48、成波形误差和幅值误差。,分压器高压臂为R1，低压臂为R2,测量冲击电压的电阻分压器，通常是用电阻丝绕制的。为避免阻值随温度而变动，通常是用卡玛丝、康铜丝按无感绕法做成。,措施：在分压器的顶端加屏蔽环，补偿对地电容改善电位分布；缩小分压器尺寸可以提高其性能。,考虑测量和安全的原因，示波器和分压器要有一段距离，一般为几米和几十米。为了避免输出波形在这段距离内受到周围电磁场的干扰，通常采用高频同轴电缆连接分压器和示波器。,阻抗匹配电缆的波阻抗Z大多为50，75阻抗匹配的原因：由于被测冲击波波前较陡，截波变化更快，所以电缆的一端或两端需有波阻抗进行匹配，以免电缆两端不断产生波的反射，否则会使记录到的波
49、形出现高频振荡。,R4为末端匹配电阻，它与电缆的波阻抗Z相等,R3为首端匹配电阻即R2R3Z,与测量交流的电容式分压器相同，分为分布式电容分压器；集中式电容分压器。,分布式电容分压器只有幅值误差而无波形误差。幅值误差可通过一个标准的分压器校订后就可以消除。,电容分压器,2000kV冲击电容分压器,电容分压器低压臂测量回路和电阻分压器很类似，同样用一高频同轴电缆把高压臂输出电压输送到示波器。电缆和示波器现象板连接要串联阻尼电阻，这个电阻是防止现象板和现象板电容发生振荡。为防止电缆中波的反射引起振荡，在电缆端部需要匹配。但电容分压器低压臂电缆匹配不如电阻分压器方便，它不能在电缆末端并接一个等值于电
50、缆波阻抗的电阻。如接电阻将把低压臂电容上的电荷全部放掉。,电缆两端匹配电阻 R1、R2=Z,低压臂测量两种回路,电缆首端匹配电阻R=Z1,阻容分压器是为弥补电阻分压器和电容分压器在测量上的不足而发展起来的。可测冲击、交流和直流电压。,两类：阻容并联分压器：加并联电容对电阻分压器进行纵向补偿；阻容串联分压器：加串联电阻对电容分压器可能产生的振荡进行阻尼。包括高阻尼电容分压器和低阻尼电容分压器。,并联阻容分压器图,并联阻容分压器的测量回路图,阻容分压器,分压器的响应特性可两种方式反映频率响应：频率响应是在输入端施加一个幅值一定频率可调的正弦波电压，在输出端测量在不同频率时的输出电压幅值，由此可做出
