絕緣的破壞性試驗(yàn)

高電壓技術(shù)高電壓工程系劉春tslc@138710186725絕緣的耐壓試驗(yàn)—破壞性試驗(yàn)特點(diǎn):試驗(yàn)時(shí)施加到設(shè)備上的電壓遠(yuǎn)高于設(shè)備正常運(yùn)行絕緣所承受的電壓,試驗(yàn)時(shí)可能會(huì)對(duì)絕緣造成傷害.種類:工頻耐壓試驗(yàn)直流耐壓試驗(yàn)雷電沖擊耐壓試驗(yàn)操作沖擊耐壓試驗(yàn)5.1工頻耐壓試驗(yàn)工頻耐壓試驗(yàn)：是交流設(shè)備的基本耐壓方式。是鑒定電氣設(shè)備性能最嚴(yán)格、最有效的直接方法，能有效發(fā)現(xiàn)較危險(xiǎn)的集中性缺陷。它對(duì)判斷電氣設(shè)備是否投入運(yùn)行具有決定性的意義。是保證設(shè)備絕緣水平，避免發(fā)生絕緣事故的重要手段。交流耐壓試驗(yàn)實(shí)施辦法：電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程（DL/T596）已對(duì)各類設(shè)備的耐壓值作出了規(guī)定。方法：1min工頻耐壓試驗(yàn)

在絕緣上施加工頻試驗(yàn)電壓1min,若不發(fā)生絕緣閃絡(luò)、擊穿和其它異?，F(xiàn)象，則認(rèn)為絕緣是合格的。以電力變壓器為例，當(dāng)大修而全部更換繞組后，按出廠試驗(yàn)電壓值進(jìn)行試驗(yàn)。在其它情況下，它們的耐壓值取出廠試驗(yàn)電壓的85％。規(guī)程給出了電力變壓器的交流工頻耐壓值如表所示電力變壓器交流試驗(yàn)電壓值

括號(hào)內(nèi)數(shù)值適用于不固定接地或經(jīng)小電抗接地系統(tǒng)

額定電壓kV最高工作電壓kV線端交流試驗(yàn)電壓值kV中性點(diǎn)交流試驗(yàn)電壓值kV全部更換部分更換繞組全部更換部分更換繞組3540.5857285726672.5140120140120110126.0200170（195）9580220252.036039530633685（200）72（170）330363.046051039143485（230）72（195）500550.063068053657885140721205.1.1工頻電壓的獲得

進(jìn)行工頻試驗(yàn)時(shí)，不允許直接使用電網(wǎng)的工頻電壓，必須使用專門的高壓發(fā)生裝置。一、高壓試驗(yàn)變壓器

1、特點(diǎn)（1）絕緣裕度不需要取得太大。Why？（2）試驗(yàn)變壓器的容量一般比較小，容性阻抗大。高壓側(cè)額定電流一般為1A。對(duì)于某些特殊試品和特殊試驗(yàn)項(xiàng)目，要求試驗(yàn)變壓器的額定電流大于1A。特點(diǎn)（3）油箱本體小、高壓套管又長(zhǎng)又大。單套管式，其高壓繞組的一端接地，另一端輸出額定全電壓雙套管式，鐵心和油箱均處于U/2電位，所以油箱不能放在地上，而必須按全電壓的一半對(duì)地絕緣起來。用兩只額定電壓只有U/2的套管來代替一只額定電壓為U的套管，可以大大降低試驗(yàn)變壓器和套管的制造難度和價(jià)格。（4）連續(xù)運(yùn)行時(shí)間短，不需要有復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)。一般不超過30分鐘。頻率在45-65Hz（5）試驗(yàn)變壓器的漏抗較大，短路電流較小。2單套管變壓器結(jié)構(gòu)圖試驗(yàn)變壓器結(jié)構(gòu)圖1.低壓繞組2、高壓繞組3、鐵芯4、外殼5、高壓套管6、均壓環(huán)雙套管變壓器結(jié)構(gòu)圖1.低壓繞組2、高壓繞組3、鐵芯4、外殼5、高壓套管6、均壓環(huán)7、絕緣支柱二串級(jí)試驗(yàn)變壓器

單套管式串級(jí)試驗(yàn)變壓器雙套管式串級(jí)試驗(yàn)變壓器1.單套管式串級(jí)試驗(yàn)變壓器T1、T2－單套管試驗(yàn)變壓器，AV-調(diào)壓器，1、2－T1的高低壓繞組4、5－T2的高低壓繞組，3－累接繞組，TO-試品。Z－絕緣支柱兩臺(tái)單套管變壓器串級(jí)聯(lián)結(jié)示意圖

各級(jí)試驗(yàn)變壓器的容量不一樣，T1的容量為

T2的容量為

總的制造容量為而串級(jí)裝置的輸出容量為

串級(jí)裝置的容量利用率為

不難求出n級(jí)串級(jí)裝置的容量利用率為分析雙套管式串級(jí)試驗(yàn)變壓器雙套管戶內(nèi)串級(jí)試驗(yàn)變壓器

戶外串級(jí)試驗(yàn)變壓器

三、調(diào)壓裝置1.自耦調(diào)壓器單相自耦調(diào)壓器是一個(gè)線圈，通過不同的抽頭來取得不同的電壓。用手柄轉(zhuǎn)動(dòng)其實(shí)就是通過碳刷機(jī)械運(yùn)動(dòng)連續(xù)變比改變副邊線圈匝數(shù)。存在滑動(dòng)觸頭,電壓波形不失真，容量小。2.移圈式調(diào)壓器移圈調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)和電磁原理與變壓器相似。它借助一個(gè)沿鐵心柱高度方向上下移動(dòng)的短路線圈，改變主回路二個(gè)線圈的阻抗和電壓分配，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。不存在滑動(dòng)觸頭，但漏抗大，電壓波形畸變，容量大。3.電動(dòng)發(fā)電機(jī)組優(yōu)點(diǎn):波形好,可通過勵(lì)磁來調(diào)節(jié)輸出電壓。缺點(diǎn):價(jià)格昂貴4.感應(yīng)調(diào)壓器

感應(yīng)調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)和電磁原理類似繞線式異步電動(dòng)機(jī)，而能量轉(zhuǎn)換關(guān)系則類似于自耦變壓器。它借助于手輪或伺服電動(dòng)機(jī)等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使定子和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生角位移，從而改變定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位和幅值關(guān)系，以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。感應(yīng)調(diào)壓器有三相式和單相式兩種。無觸點(diǎn)。感應(yīng)調(diào)壓器(續(xù))

感應(yīng)調(diào)壓器是由轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成，為了阻止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)故將其用螺栓固定，將在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出來的電勢(shì)作為類似于變壓器副邊的二次電源，單相感應(yīng)調(diào)壓器制造成本比較高，特別是大容量產(chǎn)品。此外單相產(chǎn)品轉(zhuǎn)子偏心若達(dá)到一定數(shù)值，很容易產(chǎn)生運(yùn)行振動(dòng)和噪聲。由于這些因素，單相感應(yīng)調(diào)壓器輸出容量受到很大限制，大容量產(chǎn)品很少生產(chǎn)。經(jīng)專門設(shè)計(jì)的感應(yīng)調(diào)壓器，能較好地適用于一般要求的高壓試驗(yàn)配套。高壓試驗(yàn)常用調(diào)壓器的主要特點(diǎn)型

式移圈調(diào)壓器感應(yīng)調(diào)壓器自耦調(diào)壓器環(huán)式柱式額定容量（kVA）25~225010～45000.1～3010～2500電壓10kV及以下10kV及以下0.5kV10kV及以下調(diào)壓范圍(%)5（2.5）～1005（2.5）～1000（1）～100波形畸變率(%)<5<5<1效率(%)>94>96>98空載電流(%)<30<15<3短路阻抗大中小產(chǎn)品成本中中低高作為高壓試驗(yàn)調(diào)壓器只能滿足一般要求只能滿足一般要求可以滿足特殊要求5.1.2工頻耐壓試驗(yàn)的基本接線容升效應(yīng)與串聯(lián)諧振容升效應(yīng)？Why?5.1.3工頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)諧振時(shí)

工頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)減少電源容量（包括變壓器、調(diào)壓器等）試品擊穿時(shí)的故障電流減小電源中的諧波成分大大減少并聯(lián)諧振當(dāng)輸出電壓滿足要求，而試驗(yàn)變壓器的容量不夠時(shí)，還可以考慮并聯(lián)諧振的方法并聯(lián)諧振原理圖參數(shù):U＝500kVI＝1A工頻試驗(yàn)變壓器5.2直流高壓實(shí)驗(yàn)隨著直流輸電技術(shù)的發(fā)展，直流耐壓試驗(yàn)受到重視。一、直流耐壓試驗(yàn)特點(diǎn)試驗(yàn)設(shè)備輕便，容量?。ú恍枰峁o功）；可同時(shí)測(cè)量泄漏電流；局放小，對(duì)絕緣的損傷??；缺點(diǎn)：由于交流和直流情況下絕緣內(nèi)部的電壓分布不同，因而，直流耐壓試驗(yàn)不如交流耐壓實(shí)驗(yàn)更接近真實(shí)工況。預(yù)備知識(shí):直流電源的組成

直流電源的基本組成5.2.1直流高壓的獲得一半波整流和全波整流高壓硅堆承受兩倍的電源電壓電壓脈動(dòng)系數(shù)半波整流全波整流二倍壓整流回路圖5-11(a)兩倍電壓（b)兩倍電壓倍壓整流回路分析三倍壓整流回路（c）三倍電壓帶上負(fù)載后，三種倍壓裝置的輸出電壓會(huì)降低，并出現(xiàn)脈動(dòng)三串級(jí)直流高壓裝置空載時(shí)，各點(diǎn)電壓為：兩級(jí)直流高壓裝置串級(jí)直流高壓裝置該裝置的優(yōu)點(diǎn)理論上，增加串級(jí)級(jí)數(shù)即可以得到更高直流電壓對(duì)試驗(yàn)變壓器的最大輸出電壓沒有提出更高要求對(duì)硅堆反向承受電壓沒有提出更高要求串級(jí)直流高壓裝置的參數(shù)計(jì)算平均電壓：

脈動(dòng)電壓：

平均電壓降落：

可見，脈動(dòng)與電壓降落與電源頻率、級(jí)數(shù)、電容量、負(fù)載電流有關(guān)脈動(dòng)系數(shù)：<5%(1)(2)(3)減少串級(jí)直流高壓裝置的脈動(dòng)的方法合理選擇級(jí)數(shù)n對(duì)于超高壓直流裝置，采用高電壓、大電容量的電容器和高頻整流是有利的。減少串級(jí)直流高壓裝置的脈動(dòng)的方法2取C’＝2CCn’的電壓為其余電容器的一半，因而其高度可減小到一半。在相同的結(jié)構(gòu)形式下，Cn’的電容量可為其他電容器的兩倍，此時(shí)電壓降落為：與（2）式比較，減小3從上到下逐級(jí)增加電容，即Ck＝Ck’=kC實(shí)際很少采用串級(jí)直流高壓發(fā)生裝置5級(jí)U＝1000kVI為mA量級(jí)5.2.2直流耐壓試驗(yàn)的基本接線直流耐壓試驗(yàn)的基本接線5.3沖擊高壓試驗(yàn)5.3.1沖擊電壓波形的定義T1：波頭時(shí)間（波前時(shí)間）T2：波尾時(shí)間（波長(zhǎng)時(shí)間、半峰值時(shí)間）標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波：1.2s±30％/50s±20％,幅值誤差：±3％操作沖擊波：一般推薦為非振蕩形，250±30％/2500±60％s,幅值誤差：±3％5.3.1沖擊電壓波形形狀的描述由雙指數(shù)波疊加而成：－波尾時(shí)間常數(shù)。

－波頭時(shí)間常數(shù)，

5.3.2單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器一、單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器的原理在波頭時(shí)間范圍內(nèi)，可將電壓波形表示為：用直流電源向電容器充電的波形模擬，波頭時(shí)間：T1≈3.24R1C2-------達(dá)到96%A所需要的時(shí)間波頭波形推導(dǎo)波尾波形在波尾時(shí)間范圍內(nèi)，可將電壓波形表示為：?jiǎn)渭?jí)沖擊電壓發(fā)生器的原理電路（1）首先C1充電，然后合上開關(guān)，C1經(jīng)R1向C2充電，形成波頭同時(shí)C1和C2經(jīng)過電阻R2放電，形成波尾。一般情況下，C1>>C2，所以波尾主要由C1放電的快慢決定

C2和R1－－波頭電容和波頭電阻，

C1和R2－－波尾電容和波尾電阻。高效回路定義放電回路的電壓利用系數(shù)η為：

單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器的種類對(duì)于(b)低效回路對(duì)于(a)效率介于(a)和(c)之間對(duì)于(c)高效回路(c)實(shí)際的單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器回路調(diào)整調(diào)壓器的輸出可以改變電容C1的充電電壓，調(diào)整電阻R1和R2可以改變輸出波形，放電球隙G的放電電壓根據(jù)C1的充電電壓和輸出電壓的要求進(jìn)行調(diào)整。由于受到高壓硅堆和電容器額定電壓的限制，同時(shí)也考慮放電球隙的直徑不宜過大，一般單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器的最高輸出幅值不超過200～300kV

放電回路的計(jì)算(分析部分,略)利用試品的等效電容做波頭電容C2

解以上方程，可得K－－回路系數(shù)1、

2－－波尾時(shí)間常數(shù)和波頭時(shí)間常數(shù)（1）放電回路的計(jì)算將(2)帶入(1)計(jì)算，得可得理論波頭時(shí)間（2）同理，可得波尾時(shí)間T2滿足5.3.3多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器一多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器的原理并聯(lián)充電、串聯(lián)放電(高效回路)首先調(diào)整球隙距離，使G1的放電電壓為U0，G2～G4的放電電壓在U0～2U0范圍內(nèi)；對(duì)各個(gè)電容器同時(shí)充電到U0G1首先擊穿，導(dǎo)致G2～G4依次擊穿；各個(gè)電容器串聯(lián)起來對(duì)C2和R2放電，在輸出端獲得幅值很高的沖擊電壓

多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器球隙擊穿的原理充電結(jié)束時(shí)，上面一排雜散電容充電到U0，下面一排未被充電。G1首先擊穿，1點(diǎn)電位瞬時(shí)降為零，2點(diǎn)電位瞬時(shí)變?yōu)椋璘0。雜散電容C30來不及放電，3點(diǎn)電位仍維持在U0，于是G2承受的電壓（上升到2U0，從而導(dǎo)致G2擊穿。G2擊穿后，3點(diǎn)電位從＋U0降為－U0，4點(diǎn)電位瞬時(shí)變?yōu)椋?U0。雜散電容C50來不及放電，5點(diǎn)電位仍維持在U0，于是G3承受的電壓上升到3U0，從而導(dǎo)致G3擊穿。多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器的特點(diǎn)關(guān)鍵在于：雜散電容來不及放電雜散電容放電的快慢一方面取決于雜散電容的大小，另一方面取決于放電電阻R的大小，即雜散電容放電的時(shí)間常數(shù)。在實(shí)際當(dāng)中，有時(shí)候?yàn)榱舜_保各級(jí)球隙能順利自動(dòng)放電，還需要采取措施增大雜散電容

雷電沖擊與操作沖擊波產(chǎn)生方法相同。雷電沖擊電壓發(fā)生器（1760kV,8級(jí)，1.2/50us)特高壓沖擊電壓發(fā)生器二三電極球隙作用：人為控制輸出沖擊電壓工作原理：當(dāng)沖擊電壓發(fā)生器各個(gè)電容充電完畢后，利用另外一個(gè)回路產(chǎn)生一個(gè)電壓較低的脈沖電壓，并將該脈沖電壓施加在三電極球隙的電極2和3之間（即間隙g），使間隙g擊穿，利用間隙g擊穿時(shí)產(chǎn)生的火花觸發(fā)主間隙G的擊穿。此時(shí)應(yīng)防止間隙G擊穿時(shí)，高電位沿電極3瞬間貫入低壓脈沖回路。球隙操作沖擊電壓的產(chǎn)生(一)、非周期性雙指數(shù)操作波的產(chǎn)生

用于標(biāo)準(zhǔn)雷電波形參數(shù)的計(jì)算也不再適用。62（二）、衰減振蕩波63適用于變壓器的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)5.4沖擊電流試驗(yàn)沖擊大電流的應(yīng)用

沖擊短路試驗(yàn)：沖擊電流發(fā)生器就是用來產(chǎn)生人工雷閃電流的實(shí)驗(yàn)裝置。

脈沖功率技術(shù)：沖擊大電流技術(shù)由于在電子及離子加速器、核聚變、微波、大功率放電激光方面的應(yīng)用。

電火花振源：沖擊大電流的聲學(xué)效應(yīng)，可以用來作電火花振源。在水中的放電可產(chǎn)生水擊效應(yīng)，用來加工成形或分碎以及海底探礦。還有以大電流產(chǎn)生強(qiáng)磁的應(yīng)用。64第一類波形電流從零值以較短的時(shí)間上升到峰值，然后以近似指數(shù)規(guī)律或強(qiáng)阻尼正弦波形下降到零。這種波形以視在波前時(shí)間T1和視在半峰值時(shí)間T2表示為T1/T2波。

國(guó)家和國(guó)際IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了四種該類沖擊波，即1/20微秒、4/10