第7章 电气设备绝缘的高电压试验

路电流，故绝缘击穿处的电弧不会将故障点扩大。
交流两相或三相工频电源，经变频控制单元输出30~300 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。
（2）保护电路
2. 直流高电压试验的特点 (1) 试验设备的容量较小；
(2) 在试验时可以同时测量泄漏电流；
(3) 在某种程度上带有非破坏性试验的性质；
(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。
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。
第七章 电气设备绝缘的高电压试 验
7.1 交流高电压试验 7.2 直流高电压试验 7.3 冲击电压试验 7.4 稳态高电压的测量
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。
“电容器并联充电，串联放电”，这一过程由一组球隙来完成。
Dr T
RRR CCC C
冲击电压发生器的单边充电回路
r
RRR
D
T
RC
CC RR
C R
D
C CC C
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
（1）波前时间的确定
u2 u2max (1 et /2 )
2
(Rd
Rf
3. 串级直流发生器
D1
脉动幅值： u n(n 1)Id
4 fC
C1’ Q1
D1’ C1
Q2
Id
输出电压平均值：U d
2nU m
Id 6 fC
(4n3
3n2
2n)
Q2+Q1
2Q1
Rx
电压降落：Ua
Id 6 fC
(4n3
3n2
2n)
Q2+2Q1
脉动系数：S u n(n 1)Id
Ud 4 fCUd
实验室中测量稳态高压常用的方法：
①利用气体放电测量交流高电压，例如测量球隙。 ②利用静电力测量高电压，例如静电电压表。 ③利用整流电容电流或充电电压来测量高电压，例如峰值 电压表。 ④利用分压器测量高电压，如电容分压器和电阻分压器。
➢ 气体放电间隙
1. 球间隙
垂直型标准测量球隙
（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。用 球隙测量工频电压时，应取连续三
Um
Ud 1 T
2RC
3. 直流脉动电压的测量
利用高压电容与电阻串联来测量 直流电压的脉动。若直流高压含有脉 动电压分量Vr，当脉动电压的频率为f， 则电阻R两端的电压为：
V j2fCRVr 1 j2fCR
调压器
试验变压器
保护电阻 （限流限压）
保护电阻 （保护球隙）
T
R1
R2
球间隙
T.O. B
工频高压试验的一般线路图
Q
被试品
工频试验变压器的特点：
（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）调压与波形 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。
Tf
3.24(Rd
Rf
)
C1C2 C1 C2
（2）半峰值时间的确定
u2 u2maxet /1
1 (C1 C2 )Rt
1 2
U
2 max
u eTt /1 2 max
Tt 1 ln 2 0.69(Rt Rd )(C1 C2)
（3）冲击电压发生器的效率
U2max
U1
对于低效回路： Rt
2. 串级试验变压器
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：3U2
T1 13
2
T2 3
1 2
T3 12
U2 2U2 3U2
额定输出容量 装置总容量
WT W
3W 6W
50%
3. 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
S u
Ud
u Umax Umin
2
Ud
Umax
Umin 2
对于半波 整流电路
u IdT Id
2C 2 fC
S u Id 1
Ud 2 fCU d 2 fCRx
2. 倍压整流回路
TA
U T D1
C
A
C
D2
倍压电路
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。
C1
Rd Rt C1 C2
对于高效回路： C1 C1 C2
➢ 截断波的产生方法（略） ➢ 操作冲击电压的获得（略） ➢ 陡波前冲击电压的获得（略）
7.4 稳态高电压的测量
稳态高电压：工频交流高压、直流高压
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%。
AT T
Rf
Rt
R
RR
R
多级冲击电压发生器
（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。
) C1C2 C1 C2
t1时u2 0.3u2max
0.3U 2max U 2max (1 et1 /2 )
et2 /2 0.7
t2时u2 0.9u2max
0.9U 2max U 2max (1 et2 /2 )
et2 /2 0.1
t2 t1 2 ln 7
Tf 1 t2 t1 0.6
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
（1）半波整流回路
T
D
R
R
2UT I sm
u
C
Rx
UT
Umax
Umin
t
T
半波整流电路及输出电压波形图
棒间隙直接测量直流电压时也非常费时， 一般用于求取直流高压输出值与直流发生器低 压侧的仪表读数间的比例关系。
➢ 静电电压表
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 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。
工作原理：
0 ~ 2 2UT 1 D1 2 2 2UT
C1
2UT
D2
3
C2
2 2UT
0
常用倍压电路
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。
标准雷电冲击的定义 ：
U CP z
T f 1.67Tx
xy
O O’
F Tf
Tt
t
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]
➢冲击电压发生器与参数计算
1. 冲击电压产生的基本原理
主电容
Rd
试品等电容
Rf
波尾电阻
Rf L
S
f
l
f
1 u2 2
S 0 r
l2
F
1 T
T 0
f
(t)dt
0r A
2l 2
1 T
T
u 2 (t )dt
0
0
2l
rA
2
U
2
U l F 104
4.52 r S
➢ 利用高压电容器的测量方法