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高电压击穿试验设备及高电压击穿强度的测量

高压试验设备是指产生交流、直流以及冲击等各种高电压的试验设备，它们产生的各种波形的高电压可用来模拟电气设备在运行中可能受到的各种作用电压，进行绝缘的耐压试验以检验绝缘耐受这些高电压作用的能力。

高电压的测量难度较大，对应于不同的测试对象有不同的测试方法。

工频高压试验设备及其测量

工频耐压试验是鉴定电气设备绝缘强度有效和最直接的方法，它可以用来确定电气设备绝缘的耐受水平, 可以判断电气设备能否继续运行。它是避免在运行中发生绝缘事故的重要手段：工频耐压试验时，对电气设备绝缘施加比工作电压高得多的试验电压，这些试验电压称为电气设备的绝缘水平，为避免试验时损坏设备，工频耐压试验必须在一系列非破坏性试验之后再进行，只有经过非破坏性试验合格后才允许进行工频耐压试验。

作为基本试验的工频耐压试验，如何选择恰当的试验电压是一个重要的问题，若试验电压过低，则设备绝缘在运行中的可靠性降低，在过电压作用下发生击穿的可能性增加。若试验电压过高，则在试验时发生击穿的可能性增加，从而增加检修的工作量和检修费用。一般考虑到运行中绝缘的老化和累积效应、过电压的大小等，对不同的设备需要区别对待，这主要由运行经验决定，我国有关国家标准对各类电气设备的试验电压都有具体规定，

1.1 交流高压试验设备

交流高压试验设备主要指用于高压试验的特制变压器，即高压试验变压器。本小节除介绍高压试验变压器外，还介绍高压串联谐振试验装置，

1.高压试验变压器

高压试验变压器的额定电压很高，容量不大，所以，从外观上看它的油箱体积不大，但是高压套管却比较高大，按照高压套管的数量，可以将高压试验变压器分为两种类型，一种是如图5-1(a)所示的单套管型，其高压绕组一端接地，另一端输出额定电压。这时其高压组和套管对铁心和油箱的绝缘均按额定电压要求来设计。另一种是如图5-1(b)所示的双套管型，其高压绕组中点与铁心、油箱相连，两端各经一个套管引出，也是一端接地，另一端输出额定电压。但需要引起注意的是，此时铁心和油箱对地电压均升高为0.5倍额定电压，所以油箱不能放在地上，必须按0.5倍额定电压对地绝缘起来。采用双套管型的好处是可以用两个额定电压只有0.5U的套管代替一个额定电压为U的套管，用油箱外部的绝缘支柱来减轻变压器和套管的制造难度和价格。单套管试验变压器额定电压一般不超过250~300kV，而双套管试验变压器最高额定电压可达到750kV。

高压试验变压器进行试验时的接线如图5-2所示。通常被试验品都是电容性负载，试验时电压应从零开始逐渐升高。如果在工频试验，变压器一次绕组上不是由零逐渐升压，而是突然加压，则由于励磁涌流，会在试品上出现过电压。如果在试验过程中突然将电源切断，这时相当于切除空载变压器，也会引起过电压，因此必须通过调压器逐渐升压和降压。图中T1为调压器，用来调节试验变压器的输入电压。T2为试验变压器，用来升高电压。Cx为被试品。F为保护球隙，用来限制试验时可能产生的过电压，以保护被试品。R为球隙保护电阻，用来限制球隙击穿时流过球隙的短路电流，以保护球隙不被灼伤，一般取0.1~0.5Ω/V。r为保护电阻，用来限制被试品突然击穿时在试验变压器上产生的过电压及限制流过试验变压器的短路电流，一般取用0.1~1Ω/V。

高压试验变压器一般都是单相的，在原理上与电力变压器并无区别，但由于使用中的特殊要求，所以在结构和性能上有以下特点。

(1)电压高，其高压绕组的额定电压应不小于被试品的试验电压值。

(2)绝缘裕度小，只在试验条件下工作，不会遭受雷电过电压及电力系统内部过电压的作用。

(3)连续运行时间短，发热较轻，不需要复杂的冷却系统，但由于其绝缘裕度小，散热条件又差，所以一般不允许在额定电压下长时间连续使用。

(4)漏抗较大，高压试验变压器变比大，高压绕组电压高，所以需用较厚的绝缘层和较宽的间隙距离，漏抗较大。

(5)容量小，被试品的绝缘一般为电容性的，在试验中，被试品放电或击穿前，试验变压器只需要为被试品提供电容电流和泄漏电流。如果被试品被击穿，开关立即切断电源，不会出现长时间的短路电流。所以试验变压器的容量一般不大，可按被试品的电容来确定，即：

式中：U为被试品的试验电压，kV；Cx为被试品的电容，μF；f为电源的频率，Hz；S为试验变压器的容量，kV·A。

当需要更高的输出电压时，可将多台试验变压器串接起来使用。图5-3所示为常用的试验变压器串接的原理接线图。各台试验变压器高、低压绕组的匝数分别对应相等，故各台试验变压器高压绕组的电压相等，高压绕组串联起来输出高电压。这里，后级变压器的励磁电流由前级变压器提供。

在串接式试验装置中，各台试验变压器高压绕组的容量是相同的，但各低压绕组和累接绕组的容量并不相同。设该试验变压器串接装置的额定试验容量为3U2I2，则最高一级变压器T3的高压绕组额定电压为U2，额定电流为I2，T3的额定容量为U2I2。中间级变压器T2的额定容量应为2U2I2，这是因为T2除了要提供负荷所要求的U2I2容量外，还需要供给变压器T3的励磁容量U2I2。同理，第一级变压器T1应具有的额定容量为3U2I2，所以每级变压器的装置容量是不相同的。如上所述，当串级数为3时，试验变压器串级装置的输出额定容量为S输出=3U2I2，而试验变压器串级装置的装置总容量应为各变压器容量之和，即S总=6U2I2。由此可见，三级串接的试验变压器串级装置的利用系数为50%。若串接台数为n，则总输出容量为nSn，总的装置容量为

则n级串接装置容量的利用系数为

可见，随着试验变压器串接台数的增加，利用率降低。实际中，串接的试验变压器台数一般不超过三台。由图5-3还可看出，T2、T3的外壳对地电位分别为U2和2U2，因此二者应分别用具有相应绝缘水平的绝缘支架或支柱绝缘子支撑起来，保持对地绝缘，

2.高压试验变压器的调压装置

高压试验变压器的调压装置应能从零值平滑地改变电压, 最大输出电压应等于或稍大于试验变压器初级额定电压, 输出波形应尽可能接近正弦波, 漏抗应尽可能小,使调压器输出电压波形畸变小。常用的调压装置有自耦调压器、移圈式调压器、感应调压器和电动发电机组。

1)自耦调压器

自耦调压器的接线原理如图5-4所示，它实际上就是自耦变压器，只是它的二次侧电压抽头是不固定的，而是用滑动碳刷触头或滚动触头沿着绕组移动。小容量的自耦调压器容量一般≤20kV·A。用碳刷触头调压实际是分级调压，只不过每级分得较细,每级电压的变化不超过2%。这种小容量调压器价格不贵、携带方便、漏抗小、波形较好，在小容量试验中大量采用。用油绝缘的自耦调压器，容量可达50kV·A至几百千伏安。新型产品采用特殊的滚动触头调压。调压过程不产生火花。输出电压在50%额定电压以上时阻抗电压较低，输出电压波形畸变小，输出电压与输入电压同相位。

2)移圈式调压器

移圈式调压器的接线原理如图5-5(a)，结构如图5-5(b)所示。图中线圈C和D匝数相等而绕向相反，两线圈互相串联。线圈K是一个短路线圈，它套在线圈C和D之外，可以上下移动，由此而起调节电压的作用。K的匝数与C和D相同。

当AX端加上电源电压U1后，假若不存在短路线圈K，则线圈C和D的电压降各为U1/2。由于绕组相反，它们所产生的主磁通ФC和ФD的方向也相反，ФC和ФD只能分别穿过非导磁材料(干式主要是空气，油浸式则为油介质)自成闭合磁路，如图5-5(b)所示。现在线圈C、D旁还存在短路线圈K，当K的位置偏于一边时，主磁通ФC和ФD将分别在K中产生方向和大小都不相等的电动势，并在K中流过某一短路电流，此电流在铁心中产生闭合的磁通ФK，ФK也会在线圈C和D产生感应电动势，此感应电动势的方向和大小随K的位置变化而改变。如果在图5-5中移K至最下端，可认为这时只有线圈C的磁通ФC与K相交链，而线圈D的磁通ФD几乎不与K交链。因此，K所产生的磁通ФK几乎与ФC大小相等方向相反，所以ФK在C中感应产生的电动势几乎与C中的原电动势数值相等而方向相反。因此这时在C上几乎没有电压降落，电源电压U1几乎降落在线圈D上。与不存在K的情况相比，此时K所产生的磁通ФK起了加强ФD的作用。由接线图5-5(a)可见，这时输出端ax上的电压U2=0。当短路线圈K移至最上端时，ФK几乎和ФD大小和等而方向相反，所以ФK将在线圈D上产生一个感应电动势，它几乎和线圈D的原电动势大小相等方向相反。电源电压U1几乎全部降在线圈C上，输出端ax间的电压U2≈U1。当线圈K处于C与D的正中央时，由于ФC和ФD在K中产生的感应电动势大小相等方向相反，K中不存在短路电流，所以不会产生ФK，此时与不存在K的情况一样，输出端ax上的电压U2=U1/2。由上述过程可见，当短路线圈K由最下端连续而平稳地向上移动至最上端时，ax端上的输出电压U2也将由零逐渐升至电压的最大值。如果希望U2的调节值超过U1，则可在线圈C上增加一个辅助线圈E，主线圈C和线圈E之间可以相互自耦连接，构成自耦变压器关系，如图5-6所示。

移圈式调压器短路电抗不是固定数值，它随短路线圈K的位置不同而在很大范围内发生变化，所以短路电抗值与输出电压相关。如图5-6所示的调压器，其短路电抗就是C和E之间的漏抗加上线圈D的感抗。当短路线圈K处于最下位置即输出电压为零时，D的感抗最大，这时即使把输出端ax短路，一次侧电流也不大，只有额定电流的几分之一，这表明调压器的短路等效电抗很大。随着短路线圈K向上移，D的感抗减小，短路电抗也减小。当K处于最上端，即处在输出电压为最大值的位置时，D的感抗最小, 此时等效短路电抗也为最小。一台移圈式调压器的短路电抗与输出电压的关系曲线如图5-7所示，图中UK%为短路电压(抗)的标幺值，S为线圈K的行程，S=1和当于K处于最上端(见图5-6中)，即相当于输出电压为最大的时候。这种调压器由于短路电抗大，因而减小了工频高压试验下的短路容量。短路电抗随调压值而变化，可能使调压过程中整个试验回路系统发生串联谐振，由此会形成过电压事故。移圈式调压器的主磁通要经过一段非导磁材料，其磁阻很大，因此空载电流很大，约为额定电流的1/4~1/3。由于铁心不易饱和，这一点使输出波形畸变的因素有所减弱。但因试验变压器的激磁电流在电抗上存在压降，所以会导致变压器产生的波形有所畸变。

移圈式调压器没有滑动触头，容量能做得较大，容量范围可达几十千伏安到几千千伏安。目前我国已能生产10kV/2500kV•A的移圈式调压器，这种调压器的缺点之一是体积大。容量较大的移圈式调压器，常做成三个铁心，它们各有自己的线圈，三个短路线圈由同一个升降机构带动，可由一个电动机经蜗轮蜗杆来移动短路线圈。作为单相调压器使用时，三个一次侧线圈和三个二次侧线圈分别并联，三个线圈拆开可按星形连接作为三相调压器使用。

3)电动发电机组

由电动机带动同步发电机的转子旋转，通过调节发电机的激磁电流来调节发电机组的输出电压。这种方法的优点是可以均匀平滑地调压，可不受电网电压波动的影响，并可以供给正弦的电压波形(见图5-8)。

采用电动发电机组时应注意下列几点。

(1)为了供给正弦波形的电压波，发电机必须是特殊设计的正弦波发电机。

(2)为了消除由于激磁的剩磁所引起的残压，使调压从零开始，最好采用跨接在恒定直流电源间的滑动式双电位计来调节激磁。

(3)一般情况下只需要单相发电机，但串级试验变压器有时可做三相运行，所以此时需要三相发电机。由于大多数情况下还是在单相运行，因此要求发电机不仅能满足串级试验变压器三相运行时的功率需要，还得满足单相运行时的功率需要。通常采用三相发电机两相运行，其两相运行时的输出容量为发电机额定容量的，它应等于试验变压器的容量。

(4)拖动发电机所用的电动机可分为异步电动机、同步电动机及直流电动机三种。如用异步电动机，就无法供给电网频率的输出电压，但其频率可接近电网频率；如用同步电动机，则频率受电网频率限制；如用直流电动机则可任意改变转速，获得所需的各种频率。

(5)做高压试验时，发电机输出端常常为电容负荷，必须防止自激现象。由于容性负载电流大于一定值时，容性电流起助磁作用，虽然激磁电流并无增加，但发电机的输出电压却失去控制突然成倍上升，这种现象称为发电机自激。为避免发电机自激，在容性负载大时，可在发电机端并联补偿电抗器。在有电抗器补偿时，对容性试品来说，发电机容量可以选小一点，但其容量与电抗器容量之和仍不应小于变压器的额定容量。电动发电机组价格很贵，因此只有在对试验要求较高或有特殊要求的试验室里才采用这种调压装置。

3.串联谐振试验装置

在现场耐压试验中，当被试品的试验电压较高或电容值较大，试验变压器的额定电压或容量不能满足要求时，可采用串联谐振试验装置进行试验。试验的原理接线图和等值电路如图5-9所示。等值电路中R为代表整个试验回路损耗的等值电阻，L为可调电感和电源设备漏感之和，C为被试品电容，U为试验变压器空载时高压端对地电压。

当调节电感使回路发生谐振时，XL=XC，被试品上的电压UC为

式中：Q为谐振回路的品质因数，是谐振时感抗(容抗)与回路中电阻R的比，所以也有Q=ωL/R。

谐振时ωL远大于R，即Q值较大，故用较低的电压U便可在被试品两端获得较高的试验电压。谐振时高压回路流过相同的电流I, 而U=UC/Q, 所以试验变压器的容量在理论上仅需被试品容量的1/Q。利用串中联谐振电路进行工频耐压试验，不仅试验变压器的容量和额定电压可以降低，而且被试品击穿时，由于L的限流作用使回路中的电流很小，可避免被试品被烧坏。此外，由于回路处于工频谐振状态，电源中的谐波成分在被试品两端大为减小，故被试品两端的电压波形较好。

工频高电压的测量

在工频耐压试验中，试验电压的准确测量也是一个关键的环节。工颜高压试验的测量应该既方便又能保证有足够的准确度，其幅值或有效值的测量误差应不大于3%，测量工频高压的方法很多，概括起来可以分为两类：低压侧测量和高压侧测量。

1.低压侧测量

低压侧测量的方法是在工频试验变压器的低压侧或测量线圈(一般工频试验变压器中设有仪表线圈或称测量线圈，它的质数一般是高压线圈的1/1000)的引出端接上相应量程的电压表，然后通过换算，确定高压侧的电压。在一些成套工频试验设备中,还常常把低压电压表的刻度直接用千伏表示，使用更方便。这种方法在较低等级的试验设备中应用很普遍。由于这种方法只是按固定的匝数比来换算的, 实际使用中会有较大误差,一般在试验前应对高压与低压之比予以校验。有时也将此法与其他测量装置配合，用于辅助测量。

2.高压侧测量

进行工频耐压试验时，被试品一般均属电容性负载，试验时的等值电路如图5-10所示。电路图中r为工频试验变压器的保护电阻，XL表示试验变压器的漏抗，CX为被试品的电容。在对重要设备、特别是容量较大的设备进行工频耐压试验时，由于被试品的电容Cx较大，流过试验回路的电流为一电容电流Ic，Ic在工频试验变压器的漏抗XL上将产生一个与被试品上的电压UCx反方向的电压降落IcXL，如图5-11所示，从而导致被试品上的电压比工频试验变压器高压侧的输出电压还高，此种现象称为容升现象，也称为电容效应。由于电容效应的存在，就要求直接在测试品的两端测量电压，否则将会产生很大的测量误差，也可能会人为造成绝缘损伤。被试品的电容量及试验变压器的漏抗越大，则电容效应越显著。

1) 球隙

测量球隙是由一对相同直径的铜球构成。当球隙之间的距离S与铜球直径D之比不大时，两铜球间隙之间的电场为稍不均匀电场，放此时延很小，伏秒特性较平，分散性也较小。在一定的球隙距离下，球隙间具有相当稳定的放电电压值。因此，球隙不但可以用来测量交流电压的幅值,还可以用来测量直流高压和冲击电压的幅值。

测盘球隙可以水平布置(直径25cm以下都用水平布置)，也可以垂直布置。使用时，一般一极接地。测量球隙的球表面要光滑，曲率要均匀，对球隙的结构、尺寸、导线连接和安装空间的尺寸如图5-12所示。使用时下球极接地，上球极接高压。

标准球径的球隙放电电压与球间隙距离的关系已制成国际通用的标准表(见附表1、附表2)。当S/D≤0.5且满足其他有关规定时，用球隙测量的准确度可保持在±3%以内；当S/D为0.5~0.75时，其准确度较差，所以附表中的数值加括号；当S/D>0.75时，准确度更差，所以表中不再列出放电电压值。由此可见，测量较高的电压应使用直径较大的球隙。球隙放电点P对地面的高度A以及对其他带电或接地物体的距离S应满足表5-1的要求，以免影响球隙的电场分布及测量的准确度。

用球隙测量高压时，通过球隙保护电阻R将交流高电压加到测量球间隙上，调节球间隙的距离，使球间隙恰好在被测电压下放电，根据球隙距离S、球直径D，即可求得所加的交流高压值。由于空气中的尘埃或球面附着的细小杂物的影响(球隙表面需要擦干净)，使球隙最初几次的放电电压可能偏低且不稳定。故应先进行几次预放电，最后取三次连续读数的平均值作为测量值。各次放电的时间间隔不得小于1min，每次放电电压与平均值之间的偏差不得大于3%。气体间隙的放电电压受大气条件的影响，附表中的击穿电压值只适用于标准大气条件，若测量时大气条件与标准大气条件不同，必须进行校正，以求得测量时的实际电压。

表5-1 球隙对地和周围空间的要求

用球隙测量直流高压和交流高压时，为了限制电流，使其不致引起球极表面烧伤，必须在高压球极串联一个保护电阻R，R同时在测量回路中起阻尼振荡的作用。这个电阻不能太小，太小起不了应有的保护作用，但也不能太大，以免球隙击穿之前流过球隙的电容电流在电阻上产生压降而引起测量误差。测量交流电压时，这个压降不应超过1%，由此得出保护电阻值应为

式中：Umax为被测电压的幅值，V；f为被测电压的频率，Hz；K为由球径决定的常数，其值可按表5-2决定，Ω/V。

表 5-2 K的取值