第7章 电气设备绝缘的高电压试验

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%。
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. 工频高压试验对试验设备的要求
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。
（2）对直流电源的要求
直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
“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
Ve
I
2fC
由于高频谐波电流的容抗比基波电流
的要小，如果所测电压存在波形畸变，这 种方法很容易带来较大的测量不确定度。
2. 电容器充电电压法测量交流峰值
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。
D C
R V Id A
电容器充电电压法
如果静电电压表或微安表串联电阻测得的电压为Ud， 则电压峰值：
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
Cn’ nQ1 Dn’
DnCn
Q2+(n-2)Q1 Q2+(n-1)Q1
减小电压脉动系数的方法： 1）减小串接级数；
串级直流高压发生器原理图
2）增加每级电容器的电容量； 3）提高电源频率。
➢直流高电压的试验
1. 直流高电压试验注意事项 （1）直流高压试验要根据不同试品、不同的试验要求选 择合适的电源容量。
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
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
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。
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
1. 电容器电流整流法测量交流峰值
电容器电流整流法
半波整流：V1
ic 2 fC
全波整流：V1
ic 4 fC
与耦合电容器类似，利用静电容量大 的电容器，可用交流电流计直接测量充电 电流的有效值（I），电压有效值为：
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。
（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。
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
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。
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
2. 棒间隙
用球间隙测量直流电压时，会出现 较大的分散性，因此，IEC规定中，推荐 使用左图的棒间隙。标准棒间隙测量直 流电压时，其测量不准确度在±3%以内， 测量方法与球间隙一样。
标况下，正、负极性的直流电压下， 棒间隙10次放电电压的平均值为：
Vs 2 0.534d
非标况：V k Vs k 1 0.014(h 11)
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%。 （2）当球隙距离不大于0.4D时，其 测量不确定度在5%以内。 （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。
) 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
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。
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。
（2）常用的调压装置
a）自耦式调压装置；b）移圈式调压器；c）感应调压器
➢串联谐振交流高压的产生
L
R
U1 I
UC C
串联谐振装置的等效电路
谐振条件：L 1 Q L R或1 CR
C
Uc
UL
1
C
I
L
R
U
s
QUs
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
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。
50Hz 调频调 电源 压电源
激励变压器 电抗器
分压器 被 试 品
反馈控制信号
变频串联谐振装置的原理框图
➢交流高压试验
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
3）外施电压试验和感应高压试验
T
L L
u1
u1
C C
7.2 直流高电压试验
（1）直流高压试验设备
1）测量泄漏电流；2）直流耐压试验（一些大容量的交流 设备，如油纸绝缘电力电缆，也常用来代替交流耐压试验； 高压直流输电设备耐压试验）；3）冲击电压发生器和冲 击电流发生器等的直流高压电源。
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
波头电阻
Rf
Baidu Nhomakorabea
_ U + C1
0
_ Rt C2 u2(t) U + C1
0
Rt C2
_ u2(t) U + C1
0
Rt C2 u2(t)
(a) 典型等效电路
(b) 考虑回路电感的等效电路
原理：
(c) 高效回路的等效
（1）充电过程：C1向C2充电，建立电 压，形成波头；
（2）放电过程：当C1、C2上的电压相 等时，并联对Rt放电，形成波尾。
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。
T---工频室验变压器 C---滤波电容器 D---整流元件(高压硅堆) R---保护电阻 Umax、Umin、Ud---试品输出直流电压的最大值、最小值、算术平方值
（2）直流高压试验设备的基本技术参数
1）输出的额定直流电压（算术平均值）Ud 2）相应的额定直流电流（平均值）Id 3）电压脉动系数（亦称纹波系数） S