第2篇_电气绝缘与高电压实验

主讲人：陈兆权博士第二篇电气设备与高电压试验安徽理工大学5.2直流高电压试验5.2.1直流高电压的产生5.2.2直流工频高电压的测量5.2.3绝缘的直流耐压试验5.2.1直流高电压的产生一些高压试验设备，如冲击电压发生器和冲击电压电流发生器，需要直流高压作电源。直流高电压在其他科技领域也有厂泛的应用，其中包括静电喷漆、静电纺织、静电除尘、X射线发生器、等离子体加速以及原子核物理研究中都使用直流高压作为电源。为了获得直流高电压，最常用的就是变压器和整流装置的组合，另外还有通过静电方式产生直流高压。1.半波整流回路应用最广泛的产生直流高压的方法是将交流电压通过整流元件整流而获得。常用的整流设备如图5-14所示的半波整流电路（a）及其输出波形（b）。（a）（b）图5-14半波整流电路(a)及输出电压波形图(b)整流回路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（平均值）Id以及电压脉动系数S(纹波系数)。（1）额定平均输出电压Ud2minmaxUUUd（2）额定平均输出电流IdLddRUI（3）电压脉动系数SdUUS2minmaxUUU式中表示电压脉动幅度。2.倍压整流回路采用倍压整流回路可获得等于(2～3)Ｕm的直流电压。如图5-15所示，这种电路实际上可看作两个半波电路的叠加，因而它的参数计算可参照半波电路的计算原则进行。图5-15电源变压器两端对地绝缘的倍压电路3.串级直流发生器利用图5-17(a)的倍压整流电路作为基本单元，多级串联起来即可组成一台串级直流高压发生器，如图5-17(b)所示。图5-17（a）基本倍压整流电路图5-17(b)两极串级直流高压发生器接线图5.2.2直流工频高电压的测量1.高压高组法高阻可作为放大器或分压器来使用。采用平均值型指示仪表对纹波小的直流电压进行测量时，由于杂散电容的影响可以忽略，所以不需要对测量高阻进行屏蔽；当对纹波较高的直流电压的最大值进行测量时，由于杂散电容的影响，会造成测量误差，可将高阻进行屏蔽或采用阻容分压器。2.旋转电位计电极在电场中旋转，由于电极间电容的变化，形成充放电电荷，通过测量充放电电荷的大小，从而求得直流电压的最大值和平均值的一种装置。旋转电位计的测量精度高，不确定度在1％以内。其结构如图5-18所示。图5-18旋转电位计3.静电电压表与交流电压的测量原理一样，可测量直流电压的平均值。但是，在工作原理上，它表示的是直流电压瞬时值平方的平均值，因此，在纹波较大的情况下，测量值就不是直流电压的平均值，这一点必须加以注意。4.标准棒一棒间隙用球间隙测量直流电压时，会出现下述所提到的放电电压的波动，因此，IEC规定中，推荐使用图5-19所示结构的棒一棒间隙。图5-19直流电压测量用棒间隙5.标准球间隙测量装置以及测量方法与测量交流电压时一样。但大气中的灰尘或纤维等会引起放电电压的变化，就是说长时间加压时，放电电压可能会变得特别低。因此，在测量直流时，推荐采用前面所述的棒一棒间隙。用球隙测量直流电压时，应在间隙的轴垂直方向维持稳定的气流，气流最低为3m/s。6.纹波电压的测量如图5-20所示，在电容与电阻的串联回路上施加含有纹波电压分量Ur的直流电压。当纹波电压的频率f时，电阻R两端的电压为：)21/(2fCRjfCRVjVr如果，则UUr，可得到纹波电压。12fCR图5-20纹波电压测量5.2.3绝缘的直流耐压试验直流高压能反映设备受潮、劣化和局部缺陷等多方面的问题。它和交流耐压试验相比主要有以下一些特点：（1）试验设备可以做得比较轻巧，适合于现场预防性试验的要求。（2）在试验时可以同时测量泄漏电流。（3）直流耐压试验比之交流耐压试验更能发现电机端部的绝缘缺陷。（4）在直流高压下，局部放电较弱。5.3冲击高电压试验5.3.1冲击高电压的产生5.3.2冲击高电压的测量5.3.3绝缘的冲击耐压试验5.3.1冲击高电压的产生1.冲击发生器的基本原理冲击电压发生器的原理图如图5-22所示。图5-22冲击电压发生器原理图2.基本回路标准雷电冲击全波采用的是非周期性双指数波。——波尾时间常数——波前时间常数)()(21tteeAtu12)()(21tteeAtu图5-23(a)双指数函数冲击电压波)1()(2teAtu1)(tAetu波尾，波前，图5-24(a)可获得冲击电压波前的回路(b)可获得冲击电压波尾的回路实际冲击电压发生器采用图5-26的回路。图5-26冲击电压发声器常用回路放电回路的利用系数211221102RRRCCCUUm3.多级冲击电压发生器单级冲击电压发生器能产生的最高电压一般不超过200～300kV。因而采用多级叠加的方法来产生波形和幅值都能满足需要的冲击高电压波。多级冲击电压发生器原理接线图:图5-27多级冲击电压发生器的原理接线图基本原理:并联充电，串联放电图5-28冲击电压发生器充电过程等值电路图5-29冲击电压发生器放电过程等值电路冲击电压发生器的起动方式：自起动方式：只要将点火球隙F1的极间距离调节到使其击穿电压等于所需的充电电压，当F1上的电压上升到等于时，F1即自行击穿，起动整套装置。方式二：使各级电容器充电到一个略低于F1击穿电压的水平上，处于准备动作的状态，然后利用点火装置产生一点火脉冲，送到点火球隙F1中的一个辅助间隙上使之击穿并引起F1的主间隙击穿,起动整套装置。CUCU5.3.2冲击高电压的测量目前最常用的测量冲击电压的方法有：①分压器-示波器；②测量球隙；③分压器-峰值电压表。球隙和峰值电压表只能测量电压峰值，示波器则能记录波序，即不仅指示峰值而且能显示电压随时间的变化过程。1.分压器与数字记录仪（示波器）图5-30冲击电压测量系统由于可同时测定波形和峰值，所以在测量中被广泛使用。由于数字记录仪的输入电压一般小于数百伏，所以常和分压器一起构成冲击电压测量系统来进行测量，如图5-30所示。2.标准球间隙(1)多级法以预期的50%放电电压的2～3%作为电压级差，对被测试品分级施加冲击电压，每级施加电压10次。至少要加4级电压。要求在最低一级电压时的放电次数近于零，而在最高一级电压时，近于全部放电。求出每级电压下的放电次数与施加次数之比P（即放电频率）后，将其按电压值标于正态概率纸上，给出拟合直线P=f(U)，在此直线上对应于概率P=0.5的电压值即为50%放电电压。(2)升降法估计50%放电电压的预期值后，取Ui的2～3％为电压增量△U，先施加冲击电压Ui一次，如未引起放电，则下次施加电压应为Ui＋△U，如U1已引起放电，则下次施加电压应为Ui一△U，以后的加压都按下述规律：凡上次加压如已引起放电，则下次加压比上次电压低△U，凡上次加压未引起放电。则下次加压比上次电压高△U。这样反复加压20～40次，分别计算出各级电压下Ui下的加压次数ni，按下式求出50%放电电压:iiinnUU%50(3)冲击峰值电压表其工作原理如图5-33所示，冲击电压经整流后对电容器充电，然后通过高输入阻抗的放大器，可测得充电电压。图5-33冲击峰值电压表5.3.3绝缘的冲击耐压试验电气设备内绝缘的雷电冲击耐压试验采用三次冲击法，即对被测试品施加三次正极性和三次负极性雷电冲击试验电压（1.2/50s）对变压器和电抗器类设备的内绝缘，还要再进行雷电冲击截波（1.2/2～5s）耐压试验，它对绕组绝缘（特别是其纵绝缘）的考验往往比雷电冲击全波试验更加严格。电力系统外绝缘的冲击高压试验通常可采用15次冲击法，即对被测试品施加正、负极性冲击全波试验电压各16次，相邻两次冲击的时间间隔应不小于1min。在每组15次冲击的试验中，如果击穿或闪络的闪数不超过2次，即可认为该外绝缘试验合格。内、外绝缘的操作冲击高压试验的方法与雷电冲击全波试验完全相同。小结获得直流高电压的方法有半波整流回路、倍压整流回路和串级直流发生器。6种直流工频高电压的测量方法。利用直流高压对电器设备进行耐压试验有重要的实际意义，并随着直流输电系统的应用将会有更大的发展。（本章完）获得冲击高电压的方法有单级冲击电压发生器和多级冲击电压发生器。冲击高电压的两种测量方法：分压器与数字记录仪和标准球间隙。电气设备内绝缘的雷电冲击耐压试验采用三次冲击法。电力系统外绝缘的冲击高压试验通常可采用15次冲击法。第六章电气绝缘在线检测离线时电气绝缘预防性试验和高电压试验具有如下缺点：一、需要停电进行，而不少重要的电力设备不能轻易地停止运行；二、检测间隔周期较长，不能及时发现绝缘故障；三、停电后的设备状态与运行时的设备状态不相符，影响诊断的正确性。在线检测是在电力设备运行的状态下连续或周期性检测绝缘的状况，因而可以避免以上缺点，另外建立一套电气绝缘在线检测系统也是实施电力设备状态维修和建设无人值守变电站的基础。在线检测和状态维修带来的经济效益是十分显著的。电气绝缘在线检测是一门多学科交叉融合的综合技术，自20世纪70年代以来，电气绝缘在线检测与故障诊断的技术水平不断提高，在线检测产品大量投入市场。6.2.1局部放电的在线监测系统6.2.2局部放电分析与故障诊断6.2局部放电在线监测局部放电的在线检测分为电测法和非电测法两大类，其中电测法中的脉冲电流法是离线条件下测量电气设备局部放电的基本方法，也是目前在局部放电在线检测的主要手段，其优点是灵敏度高。电测法中的射频测量法等也都应用到了在线检测中。电测法的缺点是由于现场存在着严重的电磁干扰，将大大降低检测灵敏度和信噪比。6.2.1局部放电的在线监测系统脉冲电流法在线检测的组成及关键技术：1.电流传感器2.抗干扰技术图6-6局部放电检测系统原理框架图21()(),ditNSetMMdtl电流信号i1(t)和二次侧线圈两端的感应电压（即输出信号）e(t)的关系为：1.电流传感器（6-3）传感器的积分方式有两种，分别适用于宽带型和窄带型传感器。宽带型电流传感器211()()()()RutRititKitN即信号电压u(t)和所检测的电流i1(t)成线性关系（6-6）000122LCLRCRRfL谐振型电流传感器)()()(1tiCRRMtuL01122dLdRRfRLCLC（6-15）干扰来源：线路或其它邻近设备的电晕放电和内部的局部放电电力系统的载波通信和高频保护信号对检测的干扰可控硅整流设备引起的干扰无线电广播的干扰其他周期性干扰上述干扰可能通过以下三种途径进入检测系统：（1）从检测系统的工频电源进入，故检测系统的电源宜由隔离变压器加上低通滤波器供电，以抑制这种干扰。（2）通过电磁耦合进入检测系统，故检测系统包括连线应很好的屏蔽，或利用光电隔离和光纤传输信号，以减少干扰。（3）干扰信号通过传感器进入检测系统，这种干扰和局部放电信号混合在一起，上述方法不能抑制这种干扰，需要采用其他的措施。2.抗干扰技术选择合适的检测频带，避开现场的干扰频带差动平衡系统：差动平衡系统主要用于抑制共模干扰其他图6－10差动平衡系统原理图6.2.2局部放电分析与故障诊断局部放电信号分析是指如何从测试信号中提取有关放电的信息，一般采用数字信号处理技术，目前常用的方法主要有：时域分析频域分析时频联合分析人工神经网络分析1.局部放电信号分析时域分析是最基本的数学分析方法，例如分析放电信号的幅值，幅值与时间（或相位）、放电次数的关系，并且在显示设备上输出信号的波形，为此需要根据波形的采集要求确定所需的采样率和采集的数据长度，并将信号完整地记录下来。频域分析又称频谱分析，是分析某些放电特征在频域上的变化，如幅度谱、相位谱、能量谱和功率谱等，目前最常用的方法是快速傅里叶变换（FFT）。2.放电类型的模式识别模式识别是一种重要的诊断手段，于90年代应用于电力设备的放电识别，目前已被广泛应用于局部放电在线检测与故障诊断。图6-12模式识别过程示意图变压器绝缘体系中的放电类型很多，不同的