第2篇電氣絕緣與高電壓實驗

主講人：陳兆權(quán)博士第二篇電氣設(shè)備與高電壓實驗安徽理工大學(xué)5.2直流高電壓實驗

5.2.1直流高電壓的產(chǎn)生5.2.2直流工頻高電壓的丈量5.2.3絕緣的直流耐壓實驗5.2.1直流高電壓的產(chǎn)生

一些高壓實驗設(shè)備，如沖擊電壓發(fā)生器和沖擊電壓電流發(fā)生器，需求直流高壓作電源。直流高電壓在其他科技領(lǐng)域也有廠泛的運用，其中包括靜電噴漆、靜電紡織、靜電除塵、X射線發(fā)生器、等離子體加速以及原子核物理研討中都運用直流高壓作為電源。為了獲得直流高電壓，最常用的就是變壓器和整流安裝的組合，另外還有經(jīng)過靜電方式產(chǎn)生直流高壓。1.半波整流回路運用最廣泛的產(chǎn)生直流高壓的方法是將交流電壓經(jīng)過整流元件整流而獲得。常用的整流設(shè)備如圖5-14所示的半波整流電路〔a〕及其輸出波形〔b〕?！瞐〕〔b〕圖5-14半波整流電路(a)及輸出電壓波形圖(b)整流回路的根本技術(shù)參數(shù)有三個，即輸出的額定直流電壓〔算術(shù)平均值〕Ud,相應(yīng)的額定直流電流〔平均值〕Id以及電壓脈動系數(shù)S(紋波系數(shù))?！?〕額定平均輸出電壓Ud〔2〕額定平均輸出電流Id〔3〕電壓脈動系數(shù)S式中表示電壓脈動幅度。2.倍壓整流回路采用倍壓整流回路可獲得等于(2～3)Ｕm的直流電壓。如圖5-15所示，這種電路實踐上可看作兩個半波電路的疊加，因此它的參數(shù)計算可參照半波電路的計算原那么進展。圖5-15電源變壓器兩端對地絕緣的倍壓電路3.串級直流發(fā)生器利用圖5-17(a)的倍壓整流電路作為根本單元，多級串聯(lián)起來即可組成一臺串級直流高壓發(fā)生器，如圖5-17(b)所示。圖5-17〔a〕根本倍壓整流電路圖5-17(b)兩極串級直流高壓發(fā)生器接線圖5.2.2直流工頻高電壓的丈量高壓高組法高阻可作為放大器或分壓器來運用。采用平均值型指示儀表對紋波小的直流電壓進展丈量時，由于雜散電容的影響可以忽略，所以不需求對丈量高阻進展屏蔽；當(dāng)對紋波較高的直流電壓的最大值進展丈量時，由于雜散電容的影響，會呵斥丈量誤差，可將高阻進展屏蔽或采用阻容分壓器。2.旋轉(zhuǎn)電位計電極在電場中旋轉(zhuǎn)，由于電極間電容的變化，構(gòu)成充放電電荷，經(jīng)過丈量充放電電荷的大小，從而求得直流電壓的最大值和平均值的一種安裝。旋轉(zhuǎn)電位計的丈量精度高，不確定度在1％以內(nèi)。其構(gòu)造如圖5-18所示。圖5-18旋轉(zhuǎn)電位計3.靜電電壓表與交流電壓的丈量原理一樣，可丈量直流電壓的平均值。但是，在任務(wù)原理上，它表示的是直流電壓瞬時值平方的平均值，因此，在紋波較大的情況下，丈量值就不是直流電壓的平均值，這一點必需加以留意。4.規(guī)范棒一棒間隙用球間隙丈量直流電壓時，會出現(xiàn)下述所提到的放電電壓的動搖，因此，IEC規(guī)定中，引薦運用圖5-19所示構(gòu)造的棒一棒間隙。圖5-19直流電壓丈量用棒間隙5.規(guī)范球間隙丈量安裝以及丈量方法與丈量交流電壓時一樣。但大氣中的灰塵或纖維等會引起放電電壓的變化，就是說長時間加壓時，放電電壓能夠會變得特別低。因此，在丈量直流時，引薦采用前面所述的棒一棒間隙。用球隙丈量直流電壓時，應(yīng)在間隙的軸垂直方向維持穩(wěn)定的氣流，氣流最低為3m/s。6.紋波電壓的丈量如圖5-20所示，在電容與電阻的串聯(lián)回路上施加含有紋波電壓分量Ur的直流電壓。當(dāng)紋波電壓的頻率f時，電阻R兩端的電壓為：假設(shè)，那么UUr，可得到紋波電壓。圖5-20紋波電壓丈量5.2.3絕緣的直流耐壓實驗直流高壓能反映設(shè)備受潮、劣化和部分缺陷等多方面的問題。它和交流耐壓實驗相比主要有以下一些特點：〔1〕實驗設(shè)備可以做得比較輕巧，適宜于現(xiàn)場預(yù)防性實驗的要求?！?〕在實驗時可以同時丈量走漏電流。〔3〕直流耐壓實驗比之交流耐壓實驗更能發(fā)現(xiàn)電機端部的絕緣缺陷?！?〕在直流高壓下，部分放電較弱。5.3沖擊高電壓實驗5.3.1沖擊高電壓的產(chǎn)生5.3.2沖擊高電壓的丈量5.3.3絕緣的沖擊耐壓實驗5.3.1沖擊高電壓的產(chǎn)生

1.沖擊發(fā)生器的根本原理沖擊電壓發(fā)生器的原理圖如圖5-22所示。圖5-22沖擊電壓發(fā)生器原理圖2.根本回路規(guī)范雷電沖擊全波采用的是非周期性雙指數(shù)波。

——波尾時間常數(shù)——波前時間常數(shù)

圖5-23(a)雙指數(shù)函數(shù)沖擊電壓波波尾，波前，圖5-24(a)可獲得沖擊電壓波前的回路(b)可獲得沖擊電壓波尾的回路實踐沖擊電壓發(fā)生器采用圖5-26的回路。

圖5-26沖擊電壓發(fā)聲器常用回路

放電回路的利用系數(shù)

3.多級沖擊電壓發(fā)生器單級沖擊電壓發(fā)生器能產(chǎn)生的最高電壓普通不超越200～300kV。因此采用多級疊加的方法來產(chǎn)生波形和幅值都能滿足需求的沖擊高電壓波。

多級沖擊電壓發(fā)生器原理接線圖:

圖5-27多級沖擊電壓發(fā)生器的原理接線圖根本原理:并聯(lián)充電，串聯(lián)放電

圖5-28沖擊電壓發(fā)生器充電過程等值電路圖5-29沖擊電壓發(fā)生器放電過程等值電路沖擊電壓發(fā)生器的起動方式：自起動方式：只需將點火球隙F1的極間間隔調(diào)理到使其擊穿電壓等于所需的充電電壓，當(dāng)F1上的電壓上升到等于時，F(xiàn)1即自行擊穿，起動整套安裝。方式二：使各級電容器充電到一個略低于F1擊穿電壓的程度上，處于預(yù)備動作的形狀，然后利用點火安裝產(chǎn)生一點火脈沖，送到點火球隙F1中的一個輔助間隙上使之擊穿并引起F1的主間隙擊穿,起動整套安裝。5.3.2沖擊高電壓的丈量目前最常用的丈量沖擊電壓的方法有：①分壓器-示波器；②丈量球隙；③分壓器-峰值電壓表。球隙和峰值電壓表只能丈量電壓峰值，示波器那么能記錄波序，即不僅指示峰值而且能顯示電壓隨時間的變化過程。1.分壓器與數(shù)字記錄儀〔示波器〕圖5-30沖擊電壓丈量系統(tǒng)由于可同時測定波形和峰值，所以在丈量中被廣泛運用。由于數(shù)字記錄儀的輸入電壓普通小于數(shù)百伏，所以常和分壓器一同構(gòu)成沖擊電壓丈量系統(tǒng)來進展丈量，如圖5-30所示。2.規(guī)范球間隙(1)多級法以預(yù)期的50%放電電壓的2～3%作為電壓級差，對被測試品分級施加沖擊電壓，每級施加電壓10次。至少要加4級電壓。要求在最低一級電壓時的放電次數(shù)近于零，而在最高一級電壓時，近于全部放電。求出每級電壓下的放電次數(shù)與施加次數(shù)之比P〔即放電頻率〕后，將其按電壓值標(biāo)于正態(tài)概率紙上，給出擬合直線P=f(U)，在此直線上對應(yīng)于概率P=0.5的電壓值即為50%放電電壓。(2)升降法估計50%放電電壓的預(yù)期值后，取Ui的2～3％為電壓增量△U，先施加沖擊電壓Ui一次，如未引起放電，那么下次施加電壓應(yīng)為Ui＋△U，如U1已引起放電，那么下次施加電壓應(yīng)為Ui一△U，以后的加壓都按下述規(guī)律：凡上次加壓如已引起放電，那么下次加壓比上次電壓低△U，凡上次加壓未引起放電。那么下次加壓比上次電壓高△U。這樣反復(fù)加壓20～40次，分別計算出各級電壓下Ui下的加壓次數(shù)ni，按下式求出50%放電電壓:(3)沖擊峰值電壓表其任務(wù)原理如圖5-33所示，沖擊電壓經(jīng)整流后對電容器充電，然后經(jīng)過高輸入阻抗的放大器，可測得充電電壓。圖5-33沖擊峰值電壓表5.3.3絕緣的沖擊耐壓實驗電氣設(shè)備內(nèi)絕緣的雷電沖擊耐壓實驗采用三次沖擊法，即對被測試品施加三次正極性和三次負(fù)極性雷電沖擊實驗電壓〔1.2/50s〕對變壓器和電抗器類設(shè)備的內(nèi)絕緣，還要再進展雷電沖擊截波〔1.2/2～5s〕耐壓實驗，它對繞組絕緣〔特別是其縱絕緣〕的考驗往往比雷電沖擊全波實驗更加嚴(yán)厲。電力系統(tǒng)外絕緣的沖擊高壓實驗通?？刹捎?5次沖擊法，即對被測試品施加正、負(fù)極性沖擊全波實驗電壓各16次，相鄰兩次沖擊的時間間隔應(yīng)不小于1min。在每組15次沖擊的實驗中，假設(shè)擊穿或閃絡(luò)的閃數(shù)不超越2次，即可以為該外絕緣實驗合格。內(nèi)、外絕緣的操作沖擊高壓實驗的方法與雷電沖擊全波實驗完全一樣。小結(jié)獲得直流高電壓的方法有半波整流回路、倍壓整流回路和串級直流發(fā)生器。6種直流工頻高電壓的丈量方法。利用直流高壓對電器設(shè)備進展耐壓實驗有重要的實踐意義，并隨著直流輸電系統(tǒng)的運用將會有更大的開展?！脖菊峦辍倡@得沖擊高電壓的方法有單級沖擊電壓發(fā)生器和多級沖擊電壓發(fā)生器。沖擊高電壓的兩種丈量方法：分壓器與數(shù)字記錄儀和規(guī)范球間隙。電氣設(shè)備內(nèi)絕緣的雷電沖擊耐壓實驗采用三次沖擊法。電力系統(tǒng)外絕緣的沖擊高壓實驗通常可采用15次沖擊法。第六章電氣絕緣在線檢測離線時電氣絕緣預(yù)防性實驗和高電壓實驗具有如下缺陷：一、需求停電進展，而不少重要的電力設(shè)備不能隨便地停頓運轉(zhuǎn)；二、檢測間隔周期較長，不能及時發(fā)現(xiàn)絕緣缺點；三、停電后的設(shè)備形狀與運轉(zhuǎn)時的設(shè)備形狀不相符，影響診斷的正確性。在線檢測是在電力設(shè)備運轉(zhuǎn)的形狀下延續(xù)或周期性檢測絕緣的情況，因此可以防止以上缺陷，另外建立一套電氣絕緣在線檢測系統(tǒng)也是實施電力設(shè)備形狀維修和建立無人值守變電站的根底。在線檢測和形狀維修帶來的經(jīng)濟效益是非常顯著的。電氣絕緣在線檢測是一門多學(xué)科交叉交融的綜合技術(shù)，自20世紀(jì)70年代以來，電氣絕緣在線檢測與缺點診斷的技術(shù)程度不斷提高，在線檢測產(chǎn)品大量投入市場。

6.2.1部分放電的在線監(jiān)測系統(tǒng)6.2.2部分放電分析與缺點診斷6.2部分放電在線監(jiān)測部分放電的在線檢測分為電測法和非電測法兩大類，其中電測法中的脈沖電流法是離線條件下丈量電氣設(shè)備部分放電的根本方法，也是目前在部分放電在線檢測的主要手段，其優(yōu)點是靈敏度高。電測法中的射頻丈量法等也都運用到了在線檢測中。電測法的缺陷是由于現(xiàn)場存在著嚴(yán)重的電磁干擾，將大大降低檢測靈敏度和信噪比。6.2.1部分放電的在線監(jiān)測系統(tǒng)脈沖電流法在線檢測的組成及關(guān)鍵技術(shù)：電流傳感器抗干擾技術(shù)圖6?6部分放電檢測系統(tǒng)原理框架圖電流信號i1(t)和二次側(cè)線圈兩端的感應(yīng)電壓〔即輸出信號〕e(t)的關(guān)系為：電流傳感器〔6-3〕傳感器的積分方式有兩種，分別適用于寬帶型和窄帶型傳感器。寬帶型電流傳感器即信號電壓u(t)和所檢測的電流i1(t)成線性關(guān)系〔6-6〕諧振型電流傳感器〔6-15〕干擾來源：線路或其它臨近設(shè)備的電暈放電和內(nèi)部的部分放電電力系統(tǒng)的載波通訊和高頻維護信號對檢測的干擾可控硅整流設(shè)備引起的干擾無線電廣播的干擾其他周期性干擾上述干擾能夠經(jīng)過以下三種途徑進入檢測系統(tǒng)：〔1〕從檢測系統(tǒng)的工頻電源進入，故檢測系統(tǒng)的電源宜由隔離變壓器加上低通濾波器供電，以抑制這種干擾。〔2〕經(jīng)過電磁耦合進入檢測系統(tǒng)，故檢測系統(tǒng)包括連線應(yīng)很好的屏蔽，或利用光電隔離和光纖傳輸信號，以減少干擾。〔3〕干擾信號經(jīng)過傳感器進入檢測系統(tǒng)，這種干擾和部分放電信號混合在一同，上述方法不能抑制這種干擾，需求采用其他的措施。抗干擾技術(shù)選擇適宜的檢測頻帶，避開現(xiàn)場的干擾頻帶差動平衡系統(tǒng)：差動平衡系統(tǒng)主要用于抑制共模干擾其他圖6－10差動平衡系統(tǒng)原理圖6.2.2部分放電分析與缺點診斷部分放電信號分析是指如何從測試信號中提取有關(guān)放電的信息，普通采用數(shù)字信號處置技術(shù)，目前常用的方法主要有：時域分析頻域分析時頻結(jié)合分析人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析部分放電信號分析時域分析是最根本的數(shù)學(xué)分析方法，例如分析放電信號的幅值，幅值與時間〔或相位〕、放電次數(shù)的關(guān)系，并且在顯示設(shè)備上輸出信號的波形，為此需求根據(jù)波形的采集要求確定所需的采樣率和采集的數(shù)據(jù)長度，并將信號完好地記錄下來。頻域分析又稱頻譜分析，是分析某些放電特征在頻域上的變化，如幅度譜、相位譜、能量譜和功率譜等，目前最常用的方法是快速傅里葉變換〔FFT〕。2.放電類型的方式識別方式識別是一種重要的診斷手段，于90年代運用于電力設(shè)備的放電識別，目前已被廣泛運用于部分放電在線檢測與缺點診斷。圖6?12方式識別過程表示圖變壓器絕緣體系中的放電類型很多，不同的放電類型對絕緣的破壞作用有很大差別，因此有必要對各種放電類型加以區(qū)分。變壓器超高頻部分放電的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方式識別是將計算機輔助測試系統(tǒng)測得的電磁信號經(jīng)放大、濾波后進展A/D轉(zhuǎn)換，然后把提取