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1、1,第五章 绝缘的高电压试验,张 宁 福州大学电力系,2,什么是绝缘的高电压试验？在高压试验室用工频交流高压、直流高压、雷电冲击高压、操作冲击高压等模拟电气设备的绝缘在运行中受到的工作电压，用以考验各种绝缘耐受这些高电压作用的能力。,3,特点：具有破坏性试验的性质。一般放在非破坏性试验项目合格通过之后进行，以避免或减少不必要的损失。,4,难点问题：由于输电电压和相应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。,5,5.3 冲击高电压试验,6,冲击电压发生器,基本回路 标准雷电冲击波采用的是非周期双指数波,7,波前,8,波尾,9,
2、冲击电压发生器常用回路,放电回路的利用系数,10,多级冲击电压发生器的工作原理,多级冲击电压发生器的接线图,11,基本原理：并联充电，串联放电,12,13,冲击电压发生器的近似计算,波前其中，时间常数,14,根据冲击波的标准化，可得,即,即,得到,15,由右图可得：,可得,16,波尾其中，时间常数,17,根据冲击波的标准化，可得,可得,18,5.4 高电压测量技术,19,高电压的测量,一、高电压测量标准与方法概述二、球隙放电法测量高电压三、高压静电电压表四、分压器,20,一 高电压测量标准与方法概述,稳态高电压：主要是指工频交流高压和直流高压。冲击电压：无论是雷电冲击电压或操作冲击电压，均为快
3、速变化的一种电压。测量冲击电压的整个测量系统必须具有良好的瞬态响应特性。冲击电压的测量包括峰值测量和波形记录两个方面,稳态高电压与冲击高电压,21,测量的不确定度（误差）,稳态高电压测量系统：要求测量系统在额定频率下测量试验电压峰值或有效值的总不确定度应在3%范围内。冲击电压测量系统：测量冲击全波峰值的总不确定度为3%范围内。,22,实验室与电力系统的高电压测量,电力系统：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。用电压互感器测交流电压把电压互感器的高压边接到被测电压，低压边跨接一块电压表，把电压表读数乘上电压互感器的变比，就可得被测电压值。电力系统没有专门的冲击电压测量系
4、统实验室：互感器在高电压实验室中用得不多，因为高电压实验室中所要测的电压值常常比现有电压互感器的额定电压高许多，特制一个超高压的电压互感器是比较昂贵的，而且很高电压的互感器也比较笨重，所以采用别的方法来测量交流高电压,用电压互感器测交流电压,23,实验室的高电压测量,交流高电压测量：(1)利用气体放电测量交流高电压如测量球隙(2)利用静电力测量交流高电压如静电电压表(3)利用整流电容电流测量交流高电压如峰值电压表直流高电压的测量：用高欧姆电阻串联直流毫安表可以测量直流电压的平均值，是一种比较方便而又常用的测量系统,冲击高电压的测量：(1)球隙法：是直接测量高电压峰值的一种方法。(2)分压器峰值
5、电压表：只测峰值，不测波形。事先应验证波形合乎标准，或同时用示波器观测波形。(3)分压器示波器（或数字记录仪）：可同时测出峰值及波形。在采用数字式示波器或数字记录仪时，可立即获得峰值和时间参数值，并可打印,(1)、(2)是直接测量的方法,24,二 球隙放电法测量高电压,1.球间隙放电2.交直流高电压的测量3.冲击电压的测量4.球隙法测量高电压的优缺点,25,垂直测量球隙,1.球间隙放电,球隙的结构符合尺寸的球间隙有两种方式，图中所示是垂直球间隙，另有水平球间隙,26,测量原理,空气在一定电场强度下，才能发生放电。均匀电场下空气间隙的放电电压与间隙距离具有一定的关系。可以利用间隙放电来测量电压，
6、但绝对的均匀电场是不易做到的，只能做到接近于均匀电场。测量球隙是由一对相同直径的金属球所构成。加压时，球隙间形成稍不均匀电场。当其余条件相同时，球间隙在大气中的击穿电压决定于球间隙的距离,垂直测量球隙,27,球间隙击穿电压的确定,由于邻近效应的影响，球间的电场强度和击穿电压很难计算，球隙的放电电压主要是靠试验来决定的,垂直测量球隙,28,球径与球间隙距离的确定,对一定球径，间隙中的电场随距离的增长而越来越不均匀。被测电压越高，间隙距离越大，要求球径也越大，才能保持稍不均匀电场当S与D之比大于0.5时，其放电数值准确性较差。要达到球隙所能达到的测量准确度，其结构和使用条件必须符合IEC或国家标准
7、规定球隙距离：不大于0.4D标准球径D为：2；5；6.25；10；12.5；15；25；50；75；100；150和200厘米可测的电压峰值：从几千伏到近2000千伏,垂直测量球隙,29,2.交直流高电压的测量,串接保护电阻在用球间隙测量交流和直流电压时，经常需在球间隙上串联一个保护电阻R2。以测交流电压为例接线如图所示,交直流高电压测量球隙接线图,30,交直流高电压测量球隙接线图,保护电阻的作用,R1是保护试验变压器用的限流电阻而R2是与球隙串连的保护电阻。R2的可用它来限制球隙放电时所流过球极的短路电流，以免球极烧伤而产生麻点；,31,保护电阻阻值的选择,(1)为了限流，要求R2大一些；但
8、为了避免R2上压降引起测量误差，要求R2小一些(2)对于测量直流和工频交流电压时，推荐此电阻值为100千欧。,交直流高电压测量球隙接线图,32,正确测量交直流高电压的其它措施,预放电：如果空气中有灰尘或纤维物质，则会产生不正常的破坏性放电。因此在取得前后一致的数据以前，必须进行多次预放电。在放电电压值相对稳定后，才正式算数。最后测量应取三次连续数的平均值，其偏差不超过3%。,交直流高电压测量球隙接线图,33,3.冲击电压的测量,测量冲击与稳态高电压的区别与联系影响因素：球隙测量电压的可靠性，决定于测量结果的分散性。有两个因素影响放电的分散性：一是球面的尘污，二是球隙间空气电离不充分。自由电子影
9、响：放电必须由有效自由电子来触发，交、直流电压变化慢，持续时间长，不难在间隙中出现有效自由电子。冲击电压变化快，一霎即逝，要在这样短暂瞬间正好出现有效自由电子比较困难。当测量电压较高，所用球径较大，间隙所占空间较大，出现有效自由电子比较容易，当测量电压较低，所用球径较小，间隙所占空间较小，出现有效自由电子比较困难,34,激发自由电子的方法：所以国际标准规定，凡所用球径小于12.5厘米或测量电压低于50千伏，都必须用照射，即用人工方法使间隙中空气电离。预放电：冲击和稳态都需要预放电,35,50%放电电压的测量,50%放电电压的概念：所谓球隙的50%放电电压值，是指在此电压作用下，相应的球间隙距离
10、的放电概率为50%测量方法：一种简单的作法，如使某一冲击电压作用到某一球隙距离上，十次中如有五次放电五次不放电，则此冲击电压即为该球隙距离的50%放电电压。但要在十次中正好有五次放、五次不放，实践中有困难，所以有规定认为如十次中能有四次放、六次不放，或六次放、四次不放都可算作50%放电电压。概率本身代表多次事件中出现的频率，次数少了不一定准确。很有可能，即使电压、距离都不变，这十次中的放电概率与后十次中的很不相同，但如次数多了，还是可能得出一准确值的不仅球隙测量用50%放电电压，所有自恢复绝缘，只要它的放电分散情况符合正态分布规律的，都采用50%放电电压确定50%放电电压的方法分多级法和升降法
11、等,36,多级法：用多级法求某一间隙的50%放电电压时，可向此间隙逐级施加电压U，每级电压施加10次，求得在该电压下的放电近似概率P%，然后在正态概率纸上标出相应于U的P点。如此做45点，即可得出一条拟合直线，由此直线可求得相应于P=50%的U值，即为50%放电电压U50。一般认为在P=2080%范围内P与U近似直线关系，在P=5080%做一点及P=2050%做一点，联成直线即可求得U50。升降法：参见教材p110,电压与放电概率,37,4.球隙法测量高电压的优缺点,优点：(1)可以测量稳态高电压和冲击电压的幅值，几乎是直接测量超高电压的唯一设备(2)结构简单，容易自制或购买，不易损坏(3)有
12、一定的准确度，一般认为测量交流及冲击电压时可达3%以内。,38,缺点：(1)测量时必须放电，放电时将破坏稳定状态可能引起过电压。(2)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，测量较费时间。(3)实际使用中，测量稳态电压要做校订曲线，测量冲击电压要用50%放电电压法，手续都较麻烦。(4)要校订大气条件。(5)被测电压越高，球径越大，目前已有用到直径为3米的铜球，不仅本身越来越笨重，而且影响建筑尺寸。从发展的角度来看，测量球隙的前途将成问题。(6)一般来说测量球隙不宜使用于室外，实践证明，由于强气流以及灰尘、砂土、纤维和高湿度的影响，球隙在室外使用时常会产生异常放电。,39,三、高
13、压静电电压表,概念与原理：加电压于两个相对的电极，由于两电极上分别充上异性电荷，电极就会受到静电机械力的作用。测量此静电力的大小，或是测量由静电力所产生的某一极板的偏移(或偏转)来反映所加电压大小的表计称为静电电压表,平板电极间的电场和静电吸力,40,适用范围：测量稳态电压。静电电压表已广泛应用于测量低电压，并且也用它直接测量稳态高电压。由于它的内阻极大，可以把它并在分压器的低压臂上，通过它的电压读数乘以分压比来测量高电压 不能测量冲击电压,41,四 分压器,高压交流分压器高压直流分压器3.测量冲击电压的分压器,42,分压器的原理其中Z1为分压器高压臂的阻抗，Z2为分压器低压臂的阻抗，大部分的
14、被测电压降落在Z1上，Z2上仅有一小部分电压，用低量程电压表测量得Z2上的电压，乘上一个常数，即可得被测电压。这个常数叫做分压比K,交流分压器接线图,43,对分压器提出基本要求,要求被测电压与Z2上的电压仅在幅值上差k倍，相角应完全相同，或相角差极小，一般K1。分压器是个中间环节，要达到上述目标，对分压器提出基本要求如下：(1)分压器接入被测电路，应基本上不影响原始的被测电压峰值和波形。(2)由分压器低压臂所测得的电压波形应与被测电压波形相同，分压比应与被测电压的频率和峰值大小无关。(3)分压比与大气条件(气压、气温、一般条件下的湿度)无关或基本上无关。分压比应较稳定，国家标准规定其测量的不确定度应在|1|以内。(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。在一定的冷却条件下，分压器消耗的电能所形起的温升，不应引起分压比的改变。,
