绝缘的高电压试验

第五章第五章 绝缘的高电压试验绝缘的高电压试验 张张 宁宁 福州大学电力系福州大学电力系 134005587451 什么是绝缘的高电压试验？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、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。种绝缘耐受这些高电压作用的能力。2 特点：特点：具有破坏性试验的性质。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，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。以避免或减少不必要的损失。3 难点问题：难点问题：由于输电电压和相应的试验电压在不断提高，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，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。这是高电压试验技术发展中首先需要解决的问题。45.3 5.3 冲击高电压试验冲击高电压试验5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6波前7波尾8冲击电压发生器常用回路放电回路的利用系数9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10基本原理：并联充电，串联放电1112冲击电压发生器的近似计算波前其中，时间常数13根据冲击波的标准化，可得即即得到14由右图可得：可得15波尾其中，时间常数16根据冲击波的标准化，可得可得175.4 5.4 高电压测量技术高电压测量技术18高电压的测量高电压的测量 一、高电压测量标准与方法概述一、高电压测量标准与方法概述二、球隙放电法测量高电压二、球隙放电法测量高电压三、高压静电电压表三、高压静电电压表四、分压器四、分压器19一 高电压测量标准与方法概述 稳态高电压：稳态高电压：主要是指工频交流高压和直主要是指工频交流高压和直流高压。流高压。冲击电压：冲击电压：无论是雷电冲击电压或操作冲无论是雷电冲击电压或操作冲击电压，均为快速变化的一种电压。测量击电压，均为快速变化的一种电压。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测量和波形记录两个方面稳态高电压与冲击高电压20测量的不确定度（误差）稳态高电压测量系统：稳态高电压测量系统：要求测量系统在额定频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率下测量试验电压峰值或有效值的总不确定度应在应在3%3%范围内。范围内。冲击电压测量系统：冲击电压测量系统：测量测量冲击全波峰值冲击全波峰值的总不确定度为的总不确定度为3%3%范围内。范围内。21实验室与电力系统的高电压测量电力系统：电力系统：电力运行部门测量交流高电压，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，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。就可得被测电压值。电力系统没有专门的冲击电压测量系统电力系统没有专门的冲击电压测量系统实验室：实验室：互感器在高电压实验室中用得不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，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，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 22实验室的高电压测量交流高电压测量：交流高电压测量：(1)(1)利用气体放电测量交流高利用气体放电测量交流高电压电压如测量球隙如测量球隙(2)(2)利用静电力测量交流高电利用静电力测量交流高电压压如静电电压表如静电电压表(3)(3)利用整流电容电流测量交利用整流电容电流测量交流高电压流高电压如峰值电压表如峰值电压表直流高电压的测量：直流高电压的测量：用高欧姆电阻串联直流毫安表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，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是一种比较方便而又常用的测量系统量系统冲击高电压的测量：冲击高电压的测量：(1)(1)球隙法：是直接测量高电球隙法：是直接测量高电压峰值的一种方法。压峰值的一种方法。(2)(2)分压器分压器峰值电压表：峰值电压表：只测峰值，不测波形。事先应只测峰值，不测波形。事先应验证波形合乎标准，或同时用验证波形合乎标准，或同时用示波器观测波形。示波器观测波形。(3)(3)分压器分压器示波器（或数示波器（或数字记录仪）：可同时测出峰值字记录仪）：可同时测出峰值及波形。在采用数字式示波器及波形。在采用数字式示波器或数字记录仪时，可立即获得或数字记录仪时，可立即获得峰值和时间参数值，并可打印峰值和时间参数值，并可打印 (1)(1)、(2)(2)是直接是直接测量的方法测量的方法23二 球隙放电法测量高电压1.1.球间隙放电球间隙放电2.2.交直流高电压的测量交直流高电压的测量3.3.冲击电压的测量冲击电压的测量4.4.球隙法测量高电压的优缺点球隙法测量高电压的优缺点24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符合尺寸的球间隙有两种方式，图中所示两种方式，图中所示是垂直球间隙，另有是垂直球间隙，另有水平球间隙水平球间隙 25测量原理空气在一定电场强度下，空气在一定电场强度下，才能发生放电。均匀电才能发生放电。均匀电场下空气间隙的放电电场下空气间隙的放电电压与间隙距离具有一定压与间隙距离具有一定的关系。可以利用间隙的关系。可以利用间隙放电来测量电压，但绝放电来测量电压，但绝对的均匀电场是不易做对的均匀电场是不易做到的，只能做到接近于到的，只能做到接近于均匀电场。均匀电场。测量球隙是由一对相同测量球隙是由一对相同直径的金属球所构成。直径的金属球所构成。加压时，球隙间形成加压时，球隙间形成稍稍不均匀电场不均匀电场。当其余条。当其余条件相同时，球间隙在大件相同时，球间隙在大气中的击穿电压决定于气中的击穿电压决定于球间隙的距离球间隙的距离垂直测量球隙 26球间隙击穿电压的确定由于邻近效应的由于邻近效应的影响，球间的电影响，球间的电场强度和击穿电场强度和击穿电压很难计算，球压很难计算，球隙的放电电压主隙的放电电压主要是要是靠试验靠试验来决来决定的定的垂直测量球隙 27球径与球间隙距离的确定对一定球径，间隙中的对一定球径，间隙中的电场随距离的增长而越电场随距离的增长而越来越不均匀。被测电压来越不均匀。被测电压越高，间隙距离越大，越高，间隙距离越大，要求球径也越大，才能要求球径也越大，才能保持稍不均匀电场保持稍不均匀电场当当S S与与D D之比大于之比大于0.50.5时，时，其放电数值准确性较差。其放电数值准确性较差。要达到球隙所能达到的要达到球隙所能达到的测量准确度，其结构和测量准确度，其结构和使用条件必须符合使用条件必须符合IECIEC或国家标准规定或国家标准规定球隙距离：球隙距离：不大于不大于0.4D0.4D标准球径标准球径D D为：为：2 2；5 5；6.256.25；1010；12.512.5；1515；2525；5050；7575；100100；150150和和200200厘米厘米可测的电压峰值：可测的电压峰值：从几从几千伏到近千伏到近20002000千伏千伏 垂直测量球隙 282.交直流高电压的测量串接保护电阻在用球间隙测量交流在用球间隙测量交流和直流电压时，经常和直流电压时，经常需在球间隙上串联一需在球间隙上串联一个保护电阻个保护电阻R R2 2。以测。以测交流电压为例接线如交流电压为例接线如图所示图所示 交直流高电压测量球隙接线图29交直流高电压测量球隙接线图保护电阻的作用R R1 1是保护试验变压器用的限流电阻是保护试验变压器用的限流电阻而而R R2 2是与球隙串连的保护电阻。是与球隙串连的保护电阻。R R2 2的可用它来限制球隙放电时所流过球极的短路电流，的可用它来限制球隙放电时所流过球极的短路电流，以免球极烧伤以免球极烧伤而产生麻点；而产生麻点；30保护电阻阻值的选择(1)(1)为了限流，要求为了限流，要求R R2 2大大一些；但为了避免一些；但为了避免R R2 2上压上压降引起测量误差，要求降引起测量误差，要求R R2 2小一些小一些(2)(2)对于测量直流和工频对于测量直流和工频交流电压时，交流电压时，I.E.CI.E.C推荐推荐此电阻值为此电阻值为100100千欧千欧。交直流高电压测量球隙接线图31正确测量交直流高电压的其它措施预放电：预放电：如果空气中有灰如果空气中有灰尘或纤维物质，则会产生尘或纤维物质，则会产生不正常的破坏性放电。因不正常的破坏性放电。因此在取得前后一致的数据此在取得前后一致的数据以前，必须进行多次预放以前，必须进行多次预放电。在放电电压值相对稳电。在放电电压值相对稳定后，才正式算数。最后定后，才正式算数。最后测量应取三次连续数的平测量应取三次连续数的平均值，其偏差不超过均值，其偏差不超过3%3%。交直流高电压测量球隙接线图323.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：影响因素：球隙测量电压的可靠性，决定于测量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：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。一是球面的尘污，二是球隙间空气电离不充分。自由电子影响：自由电子影响：放电必须由有效自由电子来触放电必须由有效自由电子来触发，发，交、直流电压变化慢，持续时间长，不难在间交、直流电压变化慢，持续时间长，不难在间隙中出隙中出现有效自由电子。冲击电压变化快，一霎即逝，现有效自由电子。冲击电压变化快，一霎即逝，要在要在这样短暂瞬间正好出现有效自由电子比较困难。这样短暂瞬间正好出现有效自由电子比较困难。当测当测量电压较高，所用球径较大，间隙所占空间较量电压较高，所用球径较大，间隙所占空间较大，出大，出现有效自由电子比较容易，当测量电压较低，现有效自由电子比较容易，当测量电压较低，所用球所用球径较小，间隙所占空间较小，出现有效自由电径较小，间隙所占空间较小，出现有效自由电子比较子比较困难困难33激发自由电子的方法：激发自由电子的方法：所以国际标准规定，凡所所以国际标准规定，凡所用球径小于用球径小于12.512.5厘米或测量电压低于厘米或测量电压低于5050千伏，都千伏，都必须用必须用照射照射，即用人工方法使间隙中空气电离。，即用人工方法使间隙中空气电离。预放电：预放电：冲击和稳态都需要预放电冲击和稳态都需要预放电3450%放电电压的测量50%50%放电电压的概念：放电电压的概念：所谓球隙的所谓球隙的50%50%放电电压值，是指在放电电压值，是指在此电压作用下，相应的球间隙距离的放电概率为此电压作用下，相应的球间隙距离的放电概率为50%50%测量方法：测量方法：一种一种简单的作法简单的作法，如使某一冲击电压作用到某，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击电压即为该球隙距离的50%50%放电电压。但要在十次中正放电电压。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、四次不放都可算作可算作50%50%放电电压。放电电压。概率概率本身代表多次事件中本身代表多次事件中出现的频率出现的频率，次数少了不一定准，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出一准确值的不仅球隙测量用不仅球隙测量用50%50%放电电压，所有自恢复绝缘，只要它放电电压，所有自恢复绝缘，只要它的放电分散情况的放电分散情况符合正态分布规律的，都采用符合正态分布规律的，都采用50%50%放电电放电电压压确定确定50%50%放电电压的方法分放电电压的方法分多级法多级法和和升降法升降法等等35多级法：多级法：用多级法求某一间隙的用多级法求某一间隙的50%50%放电电压时，可向此间隙逐级放电电压时，可向此间隙逐级施加电压施加电压U U，每级电压施加，每级电压施加1010次，次，求得在该电压下的放电近似概率求得在该电压下的放电近似概率P%P%，然后在正态概率纸上标出相应于，然后在正态概率纸上标出相应于U U的的P P点。如此做点。如此做4 45 5点，即可得出点，即可得出一条拟合直线，由此直线可求得相一条拟合直线，由此直线可求得相应于应于P=50%P=50%的的U U值，即为值，即为50%50%放电电放电电压压U U5050。一般认为在。一般认为在P=20P=2080%80%范范围内围内P P与与U U近似直线关系，在近似直线关系，在P=50P=5080%80%做一点及做一点及P=20P=2050%50%做一点，联做一点，联成直线即可求得成直线即可求得U U5050。升降法：升降法：参见教材参见教材p110p110电压与放电概率 364.球隙法测量高电压的优缺点优点：优点：(1)(1)可以测量稳态高电压和冲击电压的幅值，几乎是直接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测量超高电压的唯一设备(2)(2)结构简单，容易自制或购买，不易损坏结构简单，容易自制或购买，不易损坏(3)(3)有一定的准确度，一般认为测量交流及冲击电压时可有一定的准确度，一般认为测量交流及冲击电压时可达达3%3%以内。以内。37缺点：缺点：(1)(1)测量时必须放电，放电时将破坏稳定状态可能引起过测量时必须放电，放电时将破坏稳定状态可能引起过电压。电压。(2)(2)气体放电有统计性，数据分散，必须取多次放电数据气体放电有统计性，数据分散，必须取多次放电数据的平均值，测量较费时间。的平均值，测量较费时间。(3)(3)实际使用中，测量稳态电压要做校订曲线，测量冲击实际使用中，测量稳态电压要做校订曲线，测量冲击电压要用电压要用50%50%放电电压法，手续都较麻烦。放电电压法，手续都较麻烦。(4)(4)要校订大气条件。要校订大气条件。(5)(5)被测电压越高，球径越大，目前已有用到直径为被测电压越高，球径越大，目前已有用到直径为3 3米米的铜球，不仅本身越来越笨重，而且影响建筑尺寸。从发的铜球，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。展的角度来看，测量球隙的前途将成问题。(6)(6)一般来说测量球隙不宜使用于室外，实践证明，由于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。外使用时常会产生异常放电。38三、高压静电电压表概念与原理：加电压于加电压于两个相对的电极，由于两两个相对的电极，由于两电极上分别充上异性电荷，电极上分别充上异性电荷，电极就会受到静电机械力电极就会受到静电机械力的作用。测量此静电力的的作用。测量此静电力的大小，或是测量由静电力大小，或是测量由静电力所产生的某一极板的偏移所产生的某一极板的偏移(或偏转或偏转)来反映所加电压来反映所加电压大小的表计称为静电电压大小的表计称为静电电压表表平板电极间的电场和静电吸力 39适用范围：测量稳态电压测量稳态电压。静电电压表已广泛应。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低压臂上，通过它的电压读数乘以分压比来测量高电压高电压 不能测量冲击电压不能测量冲击电压40四 分压器1.1.高压交流分压器高压交流分压器2.2.高压直流分压器高压直流分压器3.3.测量冲击电压的分压器测量冲击电压的分压器41分压器的原理其中其中Z Z1 1为分压器为分压器高压臂高压臂的阻抗，的阻抗，Z Z2 2为分为分压器压器低压臂低压臂的阻抗，大部分的被测电的阻抗，大部分的被测电压降落在压降落在Z Z1 1上，上，Z Z2 2上仅有一小部分电压，上仅有一小部分电压，用低量程电压表测量得用低量程电压表测量得Z Z2 2上的电压，上的电压，乘上一个常数，即可得被测电压。这乘上一个常数，即可得被测电压。这个常数叫做个常数叫做分压比分压比K K交流分压器接线图42对分压器提出基本要求要求被测电压与要求被测电压与Z Z2 2上的电压仅在幅值上差上的电压仅在幅值上差k k倍，倍，相角应完相角应完全相同全相同，或相角差极小，一般，或相角差极小，一般K1K1。分压器是个中间环节，。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：要达到上述目标，对分压器提出基本要求如下：(1)(1)分压器接入被测电路，应基本上不影响原始的被测电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。压峰值和波形。(2)(2)由分压器低压臂所测得的由分压器低压臂所测得的电压波形电压波形应与被测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。相同，分压比应与被测电压的频率和峰值大小无关。(3)(3)分压比与大气条件分压比与大气条件(气压、气温、一般条件下的湿度气压、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，国家标准规定其无关或基本上无关。分压比应较稳定，国家标准规定其测测量的不确定度应在量的不确定度应在|1|1|以内以内。(4)(4)分压器所分压器所消耗的电能应不大消耗的电能应不大，不会对电源造成大的负，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。的温升，不应引起分压比的改变。43