高電壓擊穿試驗設(shè)備及高電壓擊穿強度的測量

高壓試驗設(shè)備是指產(chǎn)生交流、直流以及沖擊等各種高電壓的試驗設(shè)備，它們產(chǎn)生的各種波形的高電壓可用來模擬電氣設(shè)備在運行中可能受到的各種作用電壓，進行絕緣的耐壓試驗以檢驗絕緣耐受這些高電壓作用的能力。

高電壓的測量難度較大，對應(yīng)于不同的測試對象有不同的測試方法。

工頻高壓試驗設(shè)備及其測量

工頻耐壓試驗是鑒定電氣設(shè)備絕緣強度有效和最直接的方法，它可以用來確定電氣設(shè)備絕緣的耐受水平, 可以判斷電氣設(shè)備能否繼續(xù)運行。它是避免在運行中發(fā)生絕緣事故的重要手段：工頻耐壓試驗時，對電氣設(shè)備絕緣施加比工作電壓高得多的試驗電壓，這些試驗電壓稱為電氣設(shè)備的絕緣水平，為避免試驗時損壞設(shè)備，工頻耐壓試驗必須在一系列非破壞性試驗之后再進行，只有經(jīng)過非破壞性試驗合格后才允許進行工頻耐壓試驗。

作為基本試驗的工頻耐壓試驗，如何選擇恰當(dāng)?shù)脑囼炿妷菏且粋€重要的問題，若試驗電壓過低，則設(shè)備絕緣在運行中的可靠性降低，在過電壓作用下發(fā)生擊穿的可能性增加。若試驗電壓過高，則在試驗時發(fā)生擊穿的可能性增加，從而增加檢修的工作量和檢修費用。一般考慮到運行中絕緣的老化和累積效應(yīng)、過電壓的大小等，對不同的設(shè)備需要區(qū)別對待，這主要由運行經(jīng)驗決定，我國有關(guān)國家標準對各類電氣設(shè)備的試驗電壓都有具體規(guī)定，

1.1 交流高壓試驗設(shè)備

交流高壓試驗設(shè)備主要指用于高壓試驗的特制變壓器，即高壓試驗變壓器。本小節(jié)除介紹高壓試驗變壓器外，還介紹高壓串聯(lián)諧振試驗裝置，

1.高壓試驗變壓器

高壓試驗變壓器的額定電壓很高，容量不大，所以，從外觀上看它的油箱體積不大，但是高壓套管卻比較高大，按照高壓套管的數(shù)量，可以將高壓試驗變壓器分為兩種類型，一種是如圖5-1(a)所示的單套管型，其高壓繞組一端接地，另一端輸出額定電壓。這時其高壓組和套管對鐵心和油箱的絕緣均按額定電壓要求來設(shè)計。另一種是如圖5-1(b)所示的雙套管型，其高壓繞組中點與鐵心、油箱相連，兩端各經(jīng)一個套管引出，也是一端接地，另一端輸出額定電壓。但需要引起注意的是，此時鐵心和油箱對地電壓均升高為0.5倍額定電壓，所以油箱不能放在地上，必須按0.5倍額定電壓對地絕緣起來。采用雙套管型的好處是可以用兩個額定電壓只有0.5U的套管代替一個額定電壓為U的套管，用油箱外部的絕緣支柱來減輕變壓器和套管的制造難度和價格。單套管試驗變壓器額定電壓一般不超過250~300kV，而雙套管試驗變壓器最高額定電壓可達到750kV。

高壓試驗變壓器進行試驗時的接線如圖5-2所示。通常被試驗品都是電容性負載，試驗時電壓應(yīng)從零開始逐漸升高。如果在工頻試驗，變壓器一次繞組上不是由零逐漸升壓，而是突然加壓，則由于勵磁涌流，會在試品上出現(xiàn)過電壓。如果在試驗過程中突然將電源切斷，這時相當(dāng)于切除空載變壓器，也會引起過電壓，因此必須通過調(diào)壓器逐漸升壓和降壓。圖中T1為調(diào)壓器，用來調(diào)節(jié)試驗變壓器的輸入電壓。T2為試驗變壓器，用來升高電壓。Cx為被試品。F為保護球隙，用來限制試驗時可能產(chǎn)生的過電壓，以保護被試品。R為球隙保護電阻，用來限制球隙擊穿時流過球隙的短路電流，以保護球隙不被灼傷，一般取0.1~0.5Ω/V。r為保護電阻，用來限制被試品突然擊穿時在試驗變壓器上產(chǎn)生的過電壓及限制流過試驗變壓器的短路電流，一般取用0.1~1Ω/V。

高壓試驗變壓器一般都是單相的，在原理上與電力變壓器并無區(qū)別，但由于使用中的特殊要求，所以在結(jié)構(gòu)和性能上有以下特點。

(1)電壓高，其高壓繞組的額定電壓應(yīng)不小于被試品的試驗電壓值。

(2)絕緣裕度小，只在試驗條件下工作，不會遭受雷電過電壓及電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的作用。

(3)連續(xù)運行時間短，發(fā)熱較輕，不需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，但由于其絕緣裕度小，散熱條件又差，所以一般不允許在額定電壓下長時間連續(xù)使用。

(4)漏抗較大，高壓試驗變壓器變比大，高壓繞組電壓高，所以需用較厚的絕緣層和較寬的間隙距離，漏抗較大。

(5)容量小，被試品的絕緣一般為電容性的，在試驗中，被試品放電或擊穿前，試驗變壓器只需要為被試品提供電容電流和泄漏電流。如果被試品被擊穿，開關(guān)立即切斷電源，不會出現(xiàn)長時間的短路電流。所以試驗變壓器的容量一般不大，可按被試品的電容來確定，即：

式中：U為被試品的試驗電壓，kV；Cx為被試品的電容，μF；f為電源的頻率，Hz；S為試驗變壓器的容量，kV·A。

當(dāng)需要更高的輸出電壓時，可將多臺試驗變壓器串接起來使用。圖5-3所示為常用的試驗變壓器串接的原理接線圖。各臺試驗變壓器高、低壓繞組的匝數(shù)分別對應(yīng)相等，故各臺試驗變壓器高壓繞組的電壓相等，高壓繞組串聯(lián)起來輸出高電壓。這里，后級變壓器的勵磁電流由前級變壓器提供。

在串接式試驗裝置中，各臺試驗變壓器高壓繞組的容量是相同的，但各低壓繞組和累接繞組的容量并不相同。設(shè)該試驗變壓器串接裝置的額定試驗容量為3U2I2，則最高一級變壓器T3的高壓繞組額定電壓為U2，額定電流為I2，T3的額定容量為U2I2。中間級變壓器T2的額定容量應(yīng)為2U2I2，這是因為T2除了要提供負荷所要求的U2I2容量外，還需要供給變壓器T3的勵磁容量U2I2。同理，第一級變壓器T1應(yīng)具有的額定容量為3U2I2，所以每級變壓器的裝置容量是不相同的。如上所述，當(dāng)串級數(shù)為3時，試驗變壓器串級裝置的輸出額定容量為S輸出=3U2I2，而試驗變壓器串級裝置的裝置總?cè)萘繎?yīng)為各變壓器容量之和，即S總=6U2I2。由此可見，三級串接的試驗變壓器串級裝置的利用系數(shù)為50%。若串接臺數(shù)為n，則總輸出容量為nSn，總的裝置容量為

則n級串接裝置容量的利用系數(shù)為

可見，隨著試驗變壓器串接臺數(shù)的增加，利用率降低。實際中，串接的試驗變壓器臺數(shù)一般不超過三臺。由圖5-3還可看出，T2、T3的外殼對地電位分別為U2和2U2，因此二者應(yīng)分別用具有相應(yīng)絕緣水平的絕緣支架或支柱絕緣子支撐起來，保持對地絕緣，

2.高壓試驗變壓器的調(diào)壓裝置

高壓試驗變壓器的調(diào)壓裝置應(yīng)能從零值平滑地改變電壓, 最大輸出電壓應(yīng)等于或稍大于試驗變壓器初級額定電壓, 輸出波形應(yīng)盡可能接近正弦波, 漏抗應(yīng)盡可能小,使調(diào)壓器輸出電壓波形畸變小。常用的調(diào)壓裝置有自耦調(diào)壓器、移圈式調(diào)壓器、感應(yīng)調(diào)壓器和電動發(fā)電機組。

1)自耦調(diào)壓器

自耦調(diào)壓器的接線原理如圖5-4所示，它實際上就是自耦變壓器，只是它的二次側(cè)電壓抽頭是不固定的，而是用滑動碳刷觸頭或滾動觸頭沿著繞組移動。小容量的自耦調(diào)壓器容量一般≤20kV·A。用碳刷觸頭調(diào)壓實際是分級調(diào)壓，只不過每級分得較細,每級電壓的變化不超過2%。這種小容量調(diào)壓器價格不貴、攜帶方便、漏抗小、波形較好，在小容量試驗中大量采用。用油絕緣的自耦調(diào)壓器，容量可達50kV·A至幾百千伏安。新型產(chǎn)品采用特殊的滾動觸頭調(diào)壓。調(diào)壓過程不產(chǎn)生火花。輸出電壓在50%額定電壓以上時阻抗電壓較低，輸出電壓波形畸變小，輸出電壓與輸入電壓同相位。

2)移圈式調(diào)壓器

移圈式調(diào)壓器的接線原理如圖5-5(a)，結(jié)構(gòu)如圖5-5(b)所示。圖中線圈C和D匝數(shù)相等而繞向相反，兩線圈互相串聯(lián)。線圈K是一個短路線圈，它套在線圈C和D之外，可以上下移動，由此而起調(diào)節(jié)電壓的作用。K的匝數(shù)與C和D相同。

當(dāng)AX端加上電源電壓U1后，假若不存在短路線圈K，則線圈C和D的電壓降各為U1/2。由于繞組相反，它們所產(chǎn)生的主磁通ФC和ФD的方向也相反，ФC和ФD只能分別穿過非導(dǎo)磁材料(干式主要是空氣，油浸式則為油介質(zhì))自成閉合磁路，如圖5-5(b)所示?，F(xiàn)在線圈C、D旁還存在短路線圈K，當(dāng)K的位置偏于一邊時，主磁通ФC和ФD將分別在K中產(chǎn)生方向和大小都不相等的電動勢，并在K中流過某一短路電流，此電流在鐵心中產(chǎn)生閉合的磁通ФK，ФK也會在線圈C和D產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，此感應(yīng)電動勢的方向和大小隨K的位置變化而改變。如果在圖5-5中移K至最下端，可認為這時只有線圈C的磁通ФC與K相交鏈，而線圈D的磁通ФD幾乎不與K交鏈。因此，K所產(chǎn)生的磁通ФK幾乎與ФC大小相等方向相反，所以ФK在C中感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢幾乎與C中的原電動勢數(shù)值相等而方向相反。因此這時在C上幾乎沒有電壓降落，電源電壓U1幾乎降落在線圈D上。與不存在K的情況相比，此時K所產(chǎn)生的磁通ФK起了加強ФD的作用。由接線圖5-5(a)可見，這時輸出端ax上的電壓U2=0。當(dāng)短路線圈K移至最上端時，ФK幾乎和ФD大小和等而方向相反，所以ФK將在線圈D上產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢，它幾乎和線圈D的原電動勢大小相等方向相反。電源電壓U1幾乎全部降在線圈C上，輸出端ax間的電壓U2≈U1。當(dāng)線圈K處于C與D的正中央時，由于ФC和ФD在K中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小相等方向相反，K中不存在短路電流，所以不會產(chǎn)生ФK，此時與不存在K的情況一樣，輸出端ax上的電壓U2=U1/2。由上述過程可見，當(dāng)短路線圈K由最下端連續(xù)而平穩(wěn)地向上移動至最上端時，ax端上的輸出電壓U2也將由零逐漸升至電壓的最大值。如果希望U2的調(diào)節(jié)值超過U1，則可在線圈C上增加一個輔助線圈E，主線圈C和線圈E之間可以相互自耦連接，構(gòu)成自耦變壓器關(guān)系，如圖5-6所示。

移圈式調(diào)壓器短路電抗不是固定數(shù)值，它隨短路線圈K的位置不同而在很大范圍內(nèi)發(fā)生變化，所以短路電抗值與輸出電壓相關(guān)。如圖5-6所示的調(diào)壓器，其短路電抗就是C和E之間的漏抗加上線圈D的感抗。當(dāng)短路線圈K處于最下位置即輸出電壓為零時，D的感抗最大，這時即使把輸出端ax短路，一次側(cè)電流也不大，只有額定電流的幾分之一，這表明調(diào)壓器的短路等效電抗很大。隨著短路線圈K向上移，D的感抗減小，短路電抗也減小。當(dāng)K處于最上端，即處在輸出電壓為最大值的位置時，D的感抗最小, 此時等效短路電抗也為最小。一臺移圈式調(diào)壓器的短路電抗與輸出電壓的關(guān)系曲線如圖5-7所示，圖中UK%為短路電壓(抗)的標幺值，S為線圈K的行程，S=1和當(dāng)于K處于最上端(見圖5-6中)，即相當(dāng)于輸出電壓為最大的時候。這種調(diào)壓器由于短路電抗大，因而減小了工頻高壓試驗下的短路容量。短路電抗隨調(diào)壓值而變化，可能使調(diào)壓過程中整個試驗回路系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振，由此會形成過電壓事故。移圈式調(diào)壓器的主磁通要經(jīng)過一段非導(dǎo)磁材料，其磁阻很大，因此空載電流很大，約為額定電流的1/4~1/3。由于鐵心不易飽和，這一點使輸出波形畸變的因素有所減弱。但因試驗變壓器的激磁電流在電抗上存在壓降，所以會導(dǎo)致變壓器產(chǎn)生的波形有所畸變。

移圈式調(diào)壓器沒有滑動觸頭，容量能做得較大，容量范圍可達幾十千伏安到幾千千伏安。目前我國已能生產(chǎn)10kV/2500kV•A的移圈式調(diào)壓器，這種調(diào)壓器的缺點之一是體積大。容量較大的移圈式調(diào)壓器，常做成三個鐵心，它們各有自己的線圈，三個短路線圈由同一個升降機構(gòu)帶動，可由一個電動機經(jīng)蝸輪蝸桿來移動短路線圈。作為單相調(diào)壓器使用時，三個一次側(cè)線圈和三個二次側(cè)線圈分別并聯(lián)，三個線圈拆開可按星形連接作為三相調(diào)壓器使用。

3)電動發(fā)電機組

由電動機帶動同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的激磁電流來調(diào)節(jié)發(fā)電機組的輸出電壓。這種方法的優(yōu)點是可以均勻平滑地調(diào)壓，可不受電網(wǎng)電壓波動的影響，并可以供給正弦的電壓波形(見圖5-8)。

采用電動發(fā)電機組時應(yīng)注意下列幾點。

(1)為了供給正弦波形的電壓波，發(fā)電機必須是特殊設(shè)計的正弦波發(fā)電機。

(2)為了消除由于激磁的剩磁所引起的殘壓，使調(diào)壓從零開始，最好采用跨接在恒定直流電源間的滑動式雙電位計來調(diào)節(jié)激磁。

(3)一般情況下只需要單相發(fā)電機，但串級試驗變壓器有時可做三相運行，所以此時需要三相發(fā)電機。由于大多數(shù)情況下還是在單相運行，因此要求發(fā)電機不僅能滿足串級試驗變壓器三相運行時的功率需要，還得滿足單相運行時的功率需要。通常采用三相發(fā)電機兩相運行，其兩相運行時的輸出容量為發(fā)電機額定容量的，它應(yīng)等于試驗變壓器的容量。

(4)拖動發(fā)電機所用的電動機可分為異步電動機、同步電動機及直流電動機三種。如用異步電動機，就無法供給電網(wǎng)頻率的輸出電壓，但其頻率可接近電網(wǎng)頻率；如用同步電動機，則頻率受電網(wǎng)頻率限制；如用直流電動機則可任意改變轉(zhuǎn)速，獲得所需的各種頻率。

(5)做高壓試驗時，發(fā)電機輸出端常常為電容負荷，必須防止自激現(xiàn)象。由于容性負載電流大于一定值時，容性電流起助磁作用，雖然激磁電流并無增加，但發(fā)電機的輸出電壓卻失去控制突然成倍上升，這種現(xiàn)象稱為發(fā)電機自激。為避免發(fā)電機自激，在容性負載大時，可在發(fā)電機端并聯(lián)補償電抗器。在有電抗器補償時，對容性試品來說，發(fā)電機容量可以選小一點，但其容量與電抗器容量之和仍不應(yīng)小于變壓器的額定容量。電動發(fā)電機組價格很貴，因此只有在對試驗要求較高或有特殊要求的試驗室里才采用這種調(diào)壓裝置。

3.串聯(lián)諧振試驗裝置

在現(xiàn)場耐壓試驗中，當(dāng)被試品的試驗電壓較高或電容值較大，試驗變壓器的額定電壓或容量不能滿足要求時，可采用串聯(lián)諧振試驗裝置進行試驗。試驗的原理接線圖和等值電路如圖5-9所示。等值電路中R為代表整個試驗回路損耗的等值電阻，L為可調(diào)電感和電源設(shè)備漏感之和，C為被試品電容，U為試驗變壓器空載時高壓端對地電壓。

當(dāng)調(diào)節(jié)電感使回路發(fā)生諧振時，XL=XC，被試品上的電壓UC為

式中：Q為諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，是諧振時感抗(容抗)與回路中電阻R的比，所以也有Q=ωL/R。

諧振時ωL遠大于R，即Q值較大，故用較低的電壓U便可在被試品兩端獲得較高的試驗電壓。諧振時高壓回路流過相同的電流I, 而U=UC/Q, 所以試驗變壓器的容量在理論上僅需被試品容量的1/Q。利用串中聯(lián)諧振電路進行工頻耐壓試驗，不僅試驗變壓器的容量和額定電壓可以降低，而且被試品擊穿時，由于L的限流作用使回路中的電流很小，可避免被試品被燒壞。此外，由于回路處于工頻諧振狀態(tài)，電源中的諧波成分在被試品兩端大為減小，故被試品兩端的電壓波形較好。

工頻高電壓的測量

在工頻耐壓試驗中，試驗電壓的準確測量也是一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。工顏高壓試驗的測量應(yīng)該既方便又能保證有足夠的準確度，其幅值或有效值的測量誤差應(yīng)不大于3%，測量工頻高壓的方法很多，概括起來可以分為兩類：低壓側(cè)測量和高壓側(cè)測量。

1.低壓側(cè)測量

低壓側(cè)測量的方法是在工頻試驗變壓器的低壓側(cè)或測量線圈(一般工頻試驗變壓器中設(shè)有儀表線圈或稱測量線圈，它的質(zhì)數(shù)一般是高壓線圈的1/1000)的引出端接上相應(yīng)量程的電壓表，然后通過換算，確定高壓側(cè)的電壓。在一些成套工頻試驗設(shè)備中,還常常把低壓電壓表的刻度直接用千伏表示，使用更方便。這種方法在較低等級的試驗設(shè)備中應(yīng)用很普遍。由于這種方法只是按固定的匝數(shù)比來換算的, 實際使用中會有較大誤差,一般在試驗前應(yīng)對高壓與低壓之比予以校驗。有時也將此法與其他測量裝置配合，用于輔助測量。

2.高壓側(cè)測量

進行工頻耐壓試驗時，被試品一般均屬電容性負載，試驗時的等值電路如圖5-10所示。電路圖中r為工頻試驗變壓器的保護電阻，XL表示試驗變壓器的漏抗，CX為被試品的電容。在對重要設(shè)備、特別是容量較大的設(shè)備進行工頻耐壓試驗時，由于被試品的電容Cx較大，流過試驗回路的電流為一電容電流Ic，Ic在工頻試驗變壓器的漏抗XL上將產(chǎn)生一個與被試品上的電壓UCx反方向的電壓降落IcXL，如圖5-11所示，從而導(dǎo)致被試品上的電壓比工頻試驗變壓器高壓側(cè)的輸出電壓還高，此種現(xiàn)象稱為容升現(xiàn)象，也稱為電容效應(yīng)。由于電容效應(yīng)的存在，就要求直接在測試品的兩端測量電壓，否則將會產(chǎn)生很大的測量誤差，也可能會人為造成絕緣損傷。被試品的電容量及試驗變壓器的漏抗越大，則電容效應(yīng)越顯著。

1) 球隙

測量球隙是由一對相同直徑的銅球構(gòu)成。當(dāng)球隙之間的距離S與銅球直徑D之比不大時，兩銅球間隙之間的電場為稍不均勻電場，放此時延很小，伏秒特性較平，分散性也較小。在一定的球隙距離下，球隙間具有相當(dāng)穩(wěn)定的放電電壓值。因此，球隙不但可以用來測量交流電壓的幅值,還可以用來測量直流高壓和沖擊電壓的幅值。

測盤球隙可以水平布置(直徑25cm以下都用水平布置)，也可以垂直布置。使用時，一般一極接地。測量球隙的球表面要光滑，曲率要均勻，對球隙的結(jié)構(gòu)、尺寸、導(dǎo)線連接和安裝空間的尺寸如圖5-12所示。使用時下球極接地，上球極接高壓。

標準球徑的球隙放電電壓與球間隙距離的關(guān)系已制成國際通用的標準表(見附表1、附表2)。當(dāng)S/D≤0.5且滿足其他有關(guān)規(guī)定時，用球隙測量的準確度可保持在±3%以內(nèi)；當(dāng)S/D為0.5~0.75時，其準確度較差，所以附表中的數(shù)值加括號；當(dāng)S/D>0.75時，準確度更差，所以表中不再列出放電電壓值。由此可見，測量較高的電壓應(yīng)使用直徑較大的球隙。球隙放電點P對地面的高度A以及對其他帶電或接地物體的距離S應(yīng)滿足表5-1的要求，以免影響球隙的電場分布及測量的準確度。

用球隙測量高壓時，通過球隙保護電阻R將交流高電壓加到測量球間隙上，調(diào)節(jié)球間隙的距離，使球間隙恰好在被測電壓下放電，根據(jù)球隙距離S、球直徑D，即可求得所加的交流高壓值。由于空氣中的塵?；蚯?/span>面附著的細小雜物的影響(球隙表面需要擦干凈)，使球隙最初幾次的放電電壓可能偏低且不穩(wěn)定。故應(yīng)先進行幾次預(yù)放電，最后取三次連續(xù)讀數(shù)的平均值作為測量值。各次放電的時間間隔不得小于1min，每次放電電壓與平均值之間的偏差不得大于3%。氣體間隙的放電電壓受大氣條件的影響，附表中的擊穿電壓值只適用于標準大氣條件，若測量時大氣條件與標準大氣條件不同，必須進行校正，以求得測量時的實際電壓。

表5-1 球隙對地和周圍空間的要求

用球隙測量直流高壓和交流高壓時，為了限制電流，使其不致引起球極表面燒傷，必須在高壓球極串聯(lián)一個保護電阻R，R同時在測量回路中起阻尼振蕩的作用。這個電阻不能太小，太小起不了應(yīng)有的保護作用，但也不能太大，以免球隙擊穿之前流過球隙的電容電流在電阻上產(chǎn)生壓降而引起測量誤差。測量交流電壓時，這個壓降不應(yīng)超過1%，由此得出保護電阻值應(yīng)為

式中：Umax為被測電壓的幅值，V；f為被測電壓的頻率，Hz；K為由球徑?jīng)Q定的常數(shù)，其值可按表5-2決定，Ω/V。

表 5-2 K的取值