第九章高压电器绝缘试验.doc
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1、第九章 高压电器绝缘试验第一节 概 述电力系统中的高压电器设备,其相间绝缘、相对地绝缘与纵绝缘都是至关重要的。无论哪种绝缘出现失效,都将导致高压电器设备放电、击穿,将引起电力系统事故,甚至导致设备爆炸、电力系统大面积停电。而高压电器设备在电力系统中运行时,其绝缘不仅受到工作电压的作用,而且还会受到大气过电压(雷电冲击电压)和内部过电压(操作冲击电压)的侵袭。因此,高压电器设备在设计时,首先考虑绝缘问题,但由于影响高压电器设备绝缘问题的因素较多,如:绝缘材料的不同、制造工艺的差别、工作状况的多样性及环境条件的影响等,必须使用试验的手段对其成品绝缘性能进行测试和确认。 高压电器设备的绝缘试验,可以
2、分为两类:一类是破坏性试验,它包括工频耐压试验、直流耐压试验、冲击耐压试验、放电试验等,此类试验将对被试设备造成一定的损害;另一类是非破坏性试验,它主要是测量高压电器设备的绝缘特性,它包括绝缘电阻测量、介质损耗测量、局部放电测量等。无线电干扰试验,虽然不属于绝缘试验,但属于利用高压工频试验变压器在高压试验室进行的试验项目,且该项目是高压电器设备的必试项目,在这一章中也作详细介绍。第二节 交流高电压试验 交流高压试验,指的是电压波形为正弦的高电压试验,通常是工频高电压试验。交流高压试验的目的是考验高压电器在长时间工作电压下及瞬时的内过电压下能否正常工作。 一、交流高压试验系统 交流高压试验系统一
3、般由调压设备、变压设备、保护设备、测量设备、控制设备等成,原理图如图9-2-1: 图921 交流高压试验系统 T1为调压器,它的作用是保证交流高压试验系统能够均匀的输出可调电压。它有自耦式、移圈式、感应式、电动发电机等几种形式。自耦式是常用的形式,价格低、携带方便、漏抗小、波形好,但由于有滑动触头,只适用于小容量试验变压器调压使用。移圈式没有滑动触头、适用于大容量试验变压器调压,但体积较大。感应式、电动发电机使用较少。T2为变压器,它的作用是保证交流高压试验系统能够产生规定的高电压。R为保护电阻,它的作用是防止被试品放电时所发生的截波对变压器绕组的损伤;也用它限制过电流和抑制过电压,减少对被试
4、品的损坏。R可按0.1欧姆伏选取。它可以由金属电阻丝绕成,也可采用水电阻,长度按每米150200kV(有效值)选取。除保护电阻外,系统中还经常采用过电流保护、过电压保护及保护球隙。CO为被试品(如高压断路器)的电容量。二、交流高压试验变压器交流高压试验变压器在原理上与电力变压器并无区别,但由于两者之间的运行条件不同,因此交流高压试验变压器在设计和使用上有自己的特点。例如(1) 交流高压试验变压器为单相设计,而电力变压器一般为三相设计。(2) 交流高压试验变压器输出为高电压、小电流,容量小;而电力变压器一般容量大。(3) 交流高压试验变压器绝缘裕度小,工作方式为间歇式工作;而电力变压器绝缘裕度大
5、,工作方式为连续方式。(4) 交流高压试验变压器工作在电容性负荷下;而电力变压器工作在电感性负载下。(5) 交流高压试验变压器应能够经受多次放电的考验。交流高压试验变压器在产生超过750kV电压时,一般采用串级形式。交流高压变压器的内绝缘一般采用油浸式,最近,用于封闭电器试验的变压器,由于容量较小,采用六氟化硫气体绝缘。试验变压器的外壳有金属壳和绝缘壳两类。金属外壳可以分单套管和双套管两类,外壳可以分接地和对地绝缘两类,外壳对地绝缘的双套管形式和外壳为绝缘壳试验变压器可以方便的实现串级高压。交流高压变压器的体积、重量和价格取决于它的额定电压和额定电流。故在选取变 压器时应根据被试产品的电压等级
6、选取变压器的额定电压,并根据被试产品的电容量计算 出所需变压器的额定电流和容量。试验电流 Is CU 10-9A(有效值)所需变压器容量 Ps CU 10-9kVA 式中 U 所加的试验电压kV C 被试产品的电容量pF 所加电压的角频率下表列出了常见产品的电容量产品名称电容量(pF)线路绝缘子50高压套管50600高压断路器、电流互感器、电磁式电压互感器1001000电容式电压互感器30005000产品名称电容量(pF)电力变压器100015000电力电缆(每米)150400三、交流高电压的测量电力部门测量交流电压,一般是通过电压互感器和电压表来实现的。但用这种方法在试验室中测量交流高电压是
7、不现实的,因为制作一个交流高电压互感器是非常昂贵的,且笨重及体积庞大。因此在试验室中测量交流高电压一般采用以下几种方法;1. 利用气体放电测量交流高电压如测量球隙 用球隙测量交流高电压准确度可达3,结构简单,而且是直接测量超高电压的唯一设备,但其使用不方便,每次测量需放电,因此不经常使用,但可以用测量球隙对其他测量设备进行比对。2. 利用静电力测量交流高电压如静电电压表 静电电压表可分为高压静电电压表低压静电电压表,高压静电电压表可直接测量高电压,我公司的高压静电电压表为2OOkV。低压静电电压表与电容分压器配合,测量高电压。3. 利用整流电容电流或充电电压测量交流高电压如峰值电压表 峰值电压
8、表是与电容分压器配合测量高电压的。由于电容分压器的变比可以精确测定,因此,利用低压静电电压表与电缘分压器配合或峰值电压表是与电容分压器配合都能准确测量交流高电压。四、对交流高压试验系统输出电压的要求GB16927.1对试验电压的要求如下:试验电压一般应是频率为4862Hz的交流电压,通常称为试验电压。试验电压的波形为两个半波相同的近似正弦波,且峰值和方均根(有效)值之比应在20.07以内。在整个试验过程中试验电压的测量值对规定值之差应保持在1之内;当试验时间超过6O秒时,整个试验过程中试验电压的测量值对规定值之差可保持在1之内。五、高压电器交流高压试验的具体要求高压电器交流高压试验一般是在有关
9、标准规定的电压下,采用定时(lmin)耐压的方式对产品进行验证。户外产品利用空气作为外绝缘的还需进行湿耐压试验。高压电器产品的新产品型式试验、生产产品的出厂试验及产品的现场交接试验,都要进行工频耐压,但产品的现场交接试验值是规定值的80。一般高压电器产品都要进行对地耐压试验,有断口的产品要进行断口耐压试验,三相一体的产品还要进行相间耐压试验。 第三节 直流高电压试验电力设备常需进行直流高压下的绝缘试验,例如测量设备的泄露电流,一些大容量的交流设备(如电力电缆),也需进行直流高压下的耐压试验来代替交流耐压试验。至于超高压直流输电所用的电力设备更需进行直流高压试验。因此,直流高压下的绝缘试验也是一
10、项基本的试验项目,但由于高压电器产品试验中使用不多,在这里仅作简要介绍。一、直流高压的产生一般用整流设备来产生直流高压,常用的是如图9-3-1的半波整流电路,其中R是保护电阻,它既能在被试品闪络时限制电流,保护硅堆和变压器,又能抑制瞬态过电压。图9-3-1半波整流电路(a)及输出电压波形图(b)T工频试验变压器 C滤波电容器 D整流元件(高压硅堆) R保护电阻 Rx试品 Umax、Umin、Ud输出直流电压的最大值、最小值、算术平均值 UT试验变压器T输出电压(有效值)除半波整流电路以外,常用的还有全波整流和桥式整流电路。但是,要得到更高的直流高压,一般采用倍压整流电路,这种电路的优点在于可以
11、通过增加串接的级数,组成直流高压串级发生器。二、直流高压试验设备的参数直流高压试验设备的基本技术参数有三个,即输出的额定直流电压(算术平均值)Ud,相应的额定直流电流(算术平均值)Id以及电压脉动系数S。S UUd式中 U(UmaxUmin )2 Ud(UmaxUmin)2根据国际电工委员会规定,直流高压试验设备在额定电压和额定电流下的电压脉动系数(或纹波系数)S不大于5。三、直流高压的测量直流高压的测量一般有以下几种形式:1. 测量球隙 用球隙可测量直流电压的最大值,但其测量误差比用球隙测量冲击 和交流高压时更大,这是由于空气中的灰尘和纤维可能引起“小桥”所造成的。当球隙距离不大于0.4D时
12、,且灰尘较少时测量准确度将在5之内。2. 静电电压表 用静电电压表可测量直流电压的有效值(近似邻于平均植),其准确度比球隙高,一般在12.5之内,但测量电压范围有限。3. 分压器(或高欧姆电阻)用高欧姆电阻串联直流毫安(或微安)表,可以测量直流电压的平均值,是一种方便又常用的测量系统。用电阻分压器低压臂跨接电压表,可测量直流电压的有效值、算术平均值和最大值(依据电压表不同而异)。第四节冲击电压试验冲击电压有两种波形,即雷电冲击电压和操作冲击电压。我们知道,雷闪是一种自然现象,它是有带电荷的雷云引起的。当雷云中的电荷聚集以至于空间电场强度超过了大气的绝缘强度时,就会发生雷闪。当雷击地面或输变电设
13、备时,就会产生幅值很大的冲击电流,冲击电流通过被击物体就会产生雷电冲击电压。雷电冲击电压试验就是考验输变电设备耐受此种过电压的能力。电力系统在运行中,由于运行状态发生突然变化,导致系统内部电感元件和电容元件之间电磁能量的互相转换,这个转换常常是强阻尼的、震荡性的过渡过程,因此就可能在某些设备上或在局部电网中出现过电压,这就是操作过电压。由于操作过电压的能量来源于电源内部,所以操作过电压幅值与电网电压等级有关。在33OkV及以上电压等级中,用操作冲击电压耐压试验来考验输变电设备耐受此种过电压的能力。一、标准冲击电压波形国家标准GB16927.11997高电压试验技术第一部分:一般试验要求中规定了
14、标准雷电冲击电压、标准雷电冲击截波和标准操作冲击波形。标准雷电冲击电压是指波前时间T1为1.2s,半峰值时间T2为50s的雷电冲击全波,如图9-4-1所示。图9-4-1 标准雷电冲击电压波形其中规定值和实测值之间允许有如下偏差: 峰值:3 波前时间 T1:30 半峰值时间T2:20标准雷电冲击截波是指经过25s被外部间隙截断的标准冲击,如图9-4-2所示。有关设备标准可以规定不同的截断时间。图9-4-2 标准雷电冲击电压截波波形(a)波头截断 (b)波尾截断标准操作冲击是指波前时间 TP为 250s,半峰值时间T2为 25O0s的冲击电压,如图9-4-3所示。图9-4-3标准操作冲击电压波形其
15、中规定值和实测值之间允许有如下偏差。 峰值:3 波前时间:20 半峰值时间:60二、冲击电压的产生冲击电压的产生一般是由冲击电压发生器产生,操作冲击也可有工频试验变压器产生。单级冲击电压发生器的基本回路如图9-4-4所示。图9-4-4单级冲击电压发生器回路(a)和(b)均为实际回路C1放电电容C2负荷电容R1波前或阻尼电阻R2放电电阻电容器C1由直流缓慢充电,直至火花间隙G击穿,间隙击穿的同时,电容器C1经由波前电阻R1向试品C2充电,形成冲击电压的波前,经过一段时间后,电容器C1和试品C2经由波尾R2放电,形成冲击电压的波尾。由于电容器C1和火花间隙G的限制,单级冲击电压发生器不可能产生较高
16、的冲击电压,若要产生很高的冲击电压,必须采用多级冲击电压发生器。三、多级冲击电压发生器多级冲击电压发生器的主体是由许多电容器组成,电容器先由直流电源并联充电,然后通过球隙放电将电容器串联,对包含试品在内的回路放电。公司技术中心高压试验室的36O0kV冲击电压发生器的原理图如 9-4-5所示。图9-4-5 36O0kV冲击电压发生器的原理图图中:C主体电容 C2试品电容 G点火球隙 R充电电阻 RO保护电阻 R1波头电阻 R2波尾电阻 D1、D2高压硅堆该冲击电压发生器每级充电电压为 30OkV,共 12级。四、冲击电压的测量冲击电压,无论是雷电冲击还是操作冲击,都是快速变化的过程。因此,测量冲
17、击电压的仪器和测量系统必须具有良好的瞬变响应特性。目前常用的测量方法由以下几种:1. 测量球隙使用符合 GB311.6的球隙可以测量冲击电压,但应该注意标准中所列的是50放电电压值。球隙测量的可靠性决定于测量结果的分散性,影响分散性的主要困素有两个:球面的灰尘和球隙间空气是否游离充分。2. 分压器示波器(或瞬态记录仪)冲击电压的分压一般采用电阻分压器、电容分压器、或阻容分压器,影响分压器性能的主要方面有杂散电容、高压引线电感、电晕和电阻参数的稳定性。这就要求分压器比例系数的误差在 1之内,且频率响应和方波响应要好。原来采用高压示波器对波形进行观察和测量,准确度低且使用不方便,现在常用的是瞬态记
18、录仪或数字示波器,它不但可以对波形进行观察和测量,还可以对波形进行进行储存和处理。3. 分压器峰值电压表由于使用峰值电压表测量只能测得冲击电压的峰值,因此此种测量方法只能作为辅助设备。五、冲击电压试验步骤由于冲击电压是单极性脉冲波,且冲击电压发生器的输出效率、波形随试品电容不同而异,其试验步骤一般为:1. 调波先对试品施加较低电压,根据实际波形,调整波头、波尾电阻,使输出波形满足国标要求。2. 求效率根据充电电压和实际输出电压,求出效率。再利用效率精确算出规定电压下冲击发生器每级充电电压值。3. 耐压试验根据试品人求施加电压,要求正、负极性各15次,每种极性自恢复放电不超过两次即为合格。 第五
19、节 局部放电测量国家标准GBT7374(eqv IEC 60270:2000)中对局部放电给出了如下定义:导体间绝缘仅被部分桥接的电气放电。这种放电可以在导体附近发生也可以不在导体附近发生。一、局部放电概述人们早已认识到放电对绝缘寿命的影响。每次放电中,高能量的电子和加速离子的冲击会引起多种形式的化学变化,致使材料损坏(主要液体或固体介质,对气体介质影响不大)。局部放电发生在很小的空间内,放电的能量很小,但构成局部的重复击穿和熄灭,因此,它的存在不影响电气设备的短时绝缘强度,只影响绝缘寿命。根据局部放电的定义,局部放电可以发生在含有气泡(固体内的)、杂质(液体的)的绝缘体内,也可以发生在绝缘体
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