设备管理_稳态高电压试验设备培训教材

第一篇稳态高电压试验设备 第一章交流高电压试验设备 主要内容 概述单级试验变压器的结构形式及主要参数串级高压试验变压器高电压试验变压器的调压装置试验变压器输出电压的升高及波形畸变交流高压串联谐振试验设备 1概述 1概述 高压试验变压器的目的高压试验变压器的作用高压试验变压器的特点试验变压器与电力变压器的差异试验变压器的工作接线保护电阻R的作用及选取原则 用于产生工频高电压 使之作用于被试电气设备的绝缘上 以考验其在长时的工作电压及瞬时的内过电压下的绝缘能力 1 1高压试验变压器的目的 交流高电压试验设备主要指高电压试验变压器 TestingTransformer 产生工频试验电压检验电气设备在长时的工作电压及瞬时的内过电压下的绝缘能力 研究气体绝缘间隙 电晕损耗 静电感应 长串绝缘子的闪络电压等 作为直流高压和冲击高压设备的电源变压器产生操作试验电压 1 2高压试验变压器的作用 1 3高压试验变压器的特点 1 电压高 变比大 2 采用较厚绝缘和间隙距离 漏磁通和短路阻抗大 3 在大电容负载条件下有容升效应 4 体积和容量超过按额定电压的三次方增加 5 一般是单相的 1 负荷类型 试验变压器多工作在容性负荷下 而电力变压器一般工作在感性负载下 2 容量大小 试验变压器电压高 容量小 漏抗大 串级式试验变压器漏抗更大 而电力变压器容量大 漏抗小 3 运行状况 试验变压器工作时 经常要放电 电力变压器正常运行时 发生事故短路的机会不多 1 4试验变压器与电力变压器的差异 4 运行条件 电力变压器运行中可能受到大气过电压和操作过电压的侵袭 而试验变压器只是在试品放电时 绕组上可能产生梯度过电压 5 运行时间 试验变压器持续工作时间短 额定电压下满载运行时间更短 电气设备的耐压试验常为1分钟工频耐压 而电力变压器可以持续满载运行 6 散热装置 试验变压器工作温升低 无复杂的环冷系统 而电力变压器温升高 均带有风冷甚至强迫油循环冷 1 4试验变压器与电力变压器的差异 试验变压器与电力变压器的试验电压比较 试验变压器的绝缘裕度小 设计温升较低 在额定功率下只能作短时运行 电压等级试验电压50kV 250kV高于额定电压25kV 300kV比额定电压高10 试验变压器耐压试验电压 电力变压器耐压试验电压 1 5试验变压器的工作接线 T1 调压器 T2 试验变压器 R 保护电阻 C0 试品 a 试验变压器试验接线 b 试验接线等效电路 T1 调压器 T2 试验变压器 R1 变压器保护电阻 G 测量铜球 R2 测量铜球保护电阻 1 5试验变压器的工作接线 本接线具有测量铜球及保护电阻 现在已不常用 具有测量铜球及保护电阻的试验变压器接线图 1 6保护电阻R的作用及选取原则 保护电阻R的作用 防止试品放电时所产生的电压截波对试验变压器绕组绝缘的损伤 限制试品放电的过电流 阻尼CT 变压器入口电容 和C0间的振荡 抑制试品闪络时的恢复过电压 保护电阻R的选取原则 阻抗按0 1 V取 不超过100k 由金属电阻丝或水电阻构成 长度按150 200kV r m s m选取 2单级高电压试验变压器的结构型式及主要参数 高压试验变压器的结构型式全绝缘和半绝缘试验变压器绝缘壳式试验变压器试验变压器的主要参数试验变压器的额定电压和额定容量常见试品电容量试验变压器容量的计算方法试验变压器的补偿试验方法各种试验对试变容量 电流的要求 高压试验变压器大多采用油浸式变压器 2 1高压试验变压器的结构型式 a 全绝缘试验变压器 b 半绝缘试验变压器 全绝缘 单套管 试验变压器特点 输出高压对壳绝缘 承受全部高压 试验变压器高压绕组对壳为全部绝缘 需一支套管承受 单套管和双套管试验变压器 b 半绝缘 双套管 试验变压器特点 具有两只输出高压套管 高压绕组对壳绝缘为全输出高压的一半 外壳对地绝缘 金属壳式试变特点 具有套管 重量重 额定容量大 a 试验相 对地 绝缘 b 试验相间绝缘 单套管和双套管试验变压器的试验接线 铁心原边 激磁绕组副边绕组均压层接地箱体高压套管绝缘壳高压电极 绝缘壳式试验变压器 试变以绝缘壳作为容器和外绝缘 无套管铁心须绝缘支撑 绝缘壳式试变特点 无套管 以壳作外绝缘 重量轻 尺寸小 额定容量小 散热差 易受潮 绝缘壳式试验变压器 2 2试验变压器的主要参数 试验变压器的额定电压和额定容量 常见试品电容量 已知 U 试品应加的试验电压 kV eff C 试品的电容量 pF W 试验电压角频率 试验电流 试变容量 试验变压器容量的计算方法 在对试品进行试验前 需对试验变压器的容量进行计算 确定变压器容量是否满足试验要求 对大电容值试品 试变容量不够时 可采用补偿 如在高压侧和容性试品并联电感线圈 试变容量 但电感的投入增加了成本 波形也有畸变 试验变压器容量的补偿实验方法 固体 液体或二者组合绝缘小样品干试验 短路电流约为0 1A eff 自恢复绝缘设备试验 短路电流 干 0 1A eff 短路电流 湿 0 5A eff 淋雨闪 短路电流 0 7A 峰 人工污闪 短路电流 15A 各种试验对试变容量 电流的要求 3 串级试验变压器 串级变压器的基本原理及串级方式降低试验变压器短路电抗的内部结构措施自耦式串级试验变压器短路电抗计算自耦式串级试验变压器的外形及结构串级试验变压器的优缺点 3 1串级变压器的基本原理及串级方式 高电压等级试验变压器面临的问题成本机械强度绝缘运输和安装 解决办法 采用串级变压器 cascadedtransformer 即多台单级试验变压器串接 3 1 1具有绝缘变压器的串级试验变压器 通过绝缘变压器供给励磁电流的串级变压器 具有绝缘变压器的串级试验变压器特点 T1 T2 T3为3台相同的 升压 试变 另有3台绝缘变压器 给T2 T3供电 变比为1 1所以只起绝缘作用 其原 副边绕组间能绝缘U2电压 缺点 级数增多时 需很多变压器 投资增加 面积增大 优点 3台试变容量相同 可流经较大电流 几A电流 T1 T2 T3的低压绕组直接接到U1上 低压电源线 6台变压器的每台内绝缘和套管绝缘为U2 变压器外壳和铁心带有相同电位 试变外壳和绝缘变压器外壳之间有U2的电位差 所以支柱绝缘子隔离 3 1 2自耦式串级试验变压器 3级自耦式串级试验变压器接线图 自耦式串级试验变压器特点 高一级变压器的励磁电流由前面一级变压器供给 T3容量 U2I2T2容量 2U2I2 U2I2 负荷 U2I2 T3励磁 T1容量 3U2I2 U2I2 负荷 2U2I2 T2励磁 输出电压 3U2 电流I2 功率 3U2I2 电压分布T1 内 外 套管 绝缘 U2T2 内 外 套管 绝缘 U2 支柱绝缘 U2T3 内 外 套管 绝缘 U2 支柱绝缘 2U2 自耦式串级试验变压器特点 双套管变压器组成的串级试验变压器 1 低压绕组 2 高压绕组 3 励磁绕组 4 屏蔽帽5 铁芯 6 外铁壳 7 高压套管 8 支持绝缘子 分析工作原理及各点电位分布 分析结构 注意平衡绕组 双套管变压器组成的串级试验变压器 2 负荷为容性时 容性电流导致容升现象 后述 1 影响试验变压器的短路电流和短路容量 一般 单级试变xe 4 5 9 3台串级试变xe 22 40 3 2降低试验变压器短路电抗的内部结构措施 短路电抗 short circuitimpedance 的不利影响 a 原 付绕组在同一铁芯柱 b 原 付绕组在两个铁芯柱 1 原边漏磁 2 付边漏磁 a 1 原边漏磁 2 付边漏磁 漏磁通 1 2有抵消趋势 b 1 2不能抵消 所以漏磁通较大 3 2 1漏磁通决定漏电抗 短路电抗 3 2 2减小漏磁通措施 平衡绕组 1 平衡绕组的结构 左右平衡绕组匝数相同 且与低压绕组匝数相同 NP1 NP2 N1平衡绕组同名端相连 平衡绕组电流不会产生磁通 主磁通在平衡绕组中不会产生电流 NP1 I NP2 I NP1 NP2交链磁通不相等时 绕组中才流过电流 2 平衡绕组作用 3 2 2减小漏磁通措施 平衡绕组 1 2 原 副边漏磁通 P1 P2 平衡绕组磁通 平衡绕组作用 P1与 1 P2与 2有抵消作用 使有平衡绕组的漏磁比没有时大为减小 所以总短路电抗减小 绕组2流过负载电流I2 绕组1流过电流I1 N1I1 N2I2 原 副边自身交链磁通为 1和 2 1和 2在平衡绕组感生平衡电流IP NP1IP N1I1 NP2IP N2I2 3 3自耦式串级试验变压器短路电抗计算 3 3 2短路电抗的测量 由 a b c 得 3 3 3串级试验变压器短路电抗计算 U1 低压侧电压归算到串级变压器高压侧值 NH 高压绕组匝数 NL 低压绕组 xe 归算则高压侧的总等值短路电抗值 三级自耦串级变压器等效电路 三级自耦串级变压器等效电路 3 3自耦式串级试验变压器短路电抗计算 3 3 3串级试验变压器短路电抗计算 对于n级试变 等值前后的短路电抗上的无功功率相等 串级试验变压器的总等效短路电抗随级数n的增加而显著增加 一般试验变压器级数不大于4 3 3自耦式串级试验变压器短路电抗计算 3变压器相同 所以 3 4自耦式串级试验变压器的外形及结构 结构形式均压措施 3 5串级试验变压器的优缺点 每级变压器电压不太高 绝缘结构制作方便 价格便宜 运输安装方便 可以改接线 作三相试验 低试验电压时 可用其中1 2台 每台可分开单独使用 坏了一台 其它几台可继续使用 减小损失 装置利用率低 短路阻抗随级数增加而显著增加 一般n 4 发生过电压时 各级间瞬态电压分布不均匀 可能发生套管闪络及励磁绕组中的绝缘故障 串级试验变压器优点 串级试验变压器缺点 4高电压试验变压器的调压装置 对调压的基本要求 调压要从零开始 均匀平滑 放电电压的前75 可较快速度上升 在后25 应控制升压不超过放电电压的2 秒 经调压器输出的电波形应得到为正弦波 调压设备的漏抗应尽可能小 这是因为电压波形畸变程度随试变和调压设备的漏抗增加而增加 调压应处于稳定工作状态 4高电压试验变压器的调压装置 调压设备 Variabletransformer 的分类 4 1自耦调压器 特点 漏抗小 波形畸变小 功率损耗小 价格便宜 因滑动触头发热 容量受到限制 一般 20kVA 油绝缘型为50kVA至数百kVA 原理 利用滑动碳刷触头或滚动触头改变变压器二次侧匝数 从而实现调压 自耦调压器原理图 4 2移卷式调压器 移圈式调压器结构C D主绕组 绕向相反 K 短路绕组 C D K匝数相等 主磁通 C D方向相反 各自经非导磁材料自成闭合回路 4 2移卷式调压器 4 2 1移圈调压器原理 绕组K在最下端 C全部交链K K产生感生电动势 产生 K抵消 C C绕组电压 0 绕组K在最上端同理 D全部链交链K K产生感生电流 产生 K抵消 D D绕组电压 0 绕组K处于C D的正中央时 C D在K中产生的感生电动势大小相等 方向相反 K中无电流 相当于不存在K 4 2移卷式调压器 4 2 2移卷式调压器的短路电抗 对具有辅助线圈E的移卷式 其短路电抗Xs为 Xs XC E XD 4 2移卷式调压器 4 2 3移卷式调压器的特点 调压器短路电抗大 减小了工频高压试验的短路容量 短路电抗为变值 使得调压过程中试验回路系统可能串联谐振 形成过压事故 移卷式的主磁通经过非导磁材料 磁阻大 空载电流大 为1 4 1 3I额 铁芯不易饱和 使畸变减小 但xk大 输出电流在xk上产生压降 也会使畸变增加 无滑动触头 容量较大 几十 几千kVA 可做成三个铁芯 当作三相或单相自由使用 体积较大 4 3电动发电机组 由电动机带动同步发电机的转子旋转 调压发电机的励磁电流来调节发电机的输出电压 4 3电动发电机组 电动发电机组调压须注意的问题 为使输出为正弦波 发电机位置特殊设计的正弦波发电机 拖动电动机功率 容性负荷高压试验时 易自激 使用双电位计调节励磁 清除剩磁影响 调压从零开始 一般为单相发电机 有时为三相发电机 三相应满足单相运行时的功率要求 5试验变压器输出电压的升高及波形畸变 试验变压器输出电压的升高容性试品上的电压升高串联谐振过电压试品闪络引起的恢复过电压试验变压器的波形失真及改善措施试验变压器的波形要求试验变压器的波形失真及改善措施调压器及电源波形失真及改善措施 5 1试验变压器输出电压的升高 5 1 1容性试品上的电压升高 容升 用试验变压器作工频高压试验时 实际作用到试品上的电压值超过按变比高压侧所应输出的电压值 容升概念 容升 原理及测量误差分析 5 1试验变压器输出电压的升高 5 1 1容性试品上的电压升高 容升 容升 原理及测量误差分析 C0越大 xk越大 容升效应越明显 对电压大于100kV试变 具有测量绕组 容升 原理及测量误差分析 加入测量绕组 减小漏抗影响 即使有测量绕组 误差仍不可避免 特别是串级试变 其各高压绕组电压分布不均 其测量误差较大 在一定的试品下应作出测量绕组电压与输出高压之间的校正曲线 5 1 1容性试品上的电压升高 容升 5 1 2串联谐振过电压 串联谐振过电压产生原因 试品并接球隙进行保护 使球隙闪络电压升高于试验电压来限制可能的过电压 由于移圈式调压器的漏抗与调压器输出电压有关 所以试验时 在升压过程中 变压器及调压器的漏抗可能与负荷电容形成串联谐振 产生过电压 防止措施 5 1 3试品闪络引起的恢复过电压 交流试验装置等效电路 在工频试验过程中 由于试品闪络后电弧的熄弧和间隙多次重燃引起的过电压 衰减系数 固有振荡角频率 产生恢复过电压原因 试品在输入电压正半波发生闪络 电压重零重新建立 建立的负半波电压高 超过正常电压 在下一正半波可发生多次闪络 在下一负半波建立更高恢复电压 试变输出 建立方程 若第一次闪络t0时刻出现在UC的峰值 因相差关系 i 0 i超前 所以维持闪络的电弧的能源仅为电容C上的电荷 不足以维持电弧所需水平 电弧熄灭 因此 电容上建立恢复电压U0 1 产生恢复过电压原因 即 调节球隙闪络电压稍高于试品放电电压 适用于试验电压较低的室内试验 防止试品闪络的恢复过电压的措施 1 用球隙与试品相并联以限制过电压值 2 试验变压器原边绕组串联阻尼电阻 防止试品闪络的恢复过电压的措施 作用是阻尼暂态恢复电压 价廉 但最佳阻尼电阻值随试验条件 负荷电容 而变 电阻耗能 影响波形 不常采用 A 阻尼作用 阻尼过电压 B 限流 限闪络电流 C 延长电容储能所向闪络通道放电的时间 以使工频电流来得及增长到维持电弧处于导电状态 避免电弧熄灭 D 主要作用 防止试品闪络所造成的截波对试变纵绝缘所产生和梯度过电压的作用 R CT共同作用 把陡波削平 防止试品闪络的恢复过电压的措施 3 试变高压侧绕组串联电阻 4 试变原边并联高速保护开关 试变副边闪络 通过du dt的大小反馈控制与原边并联的可控硅 短路原边输入 电压的闪络电压没有多次重燃和熄灭 因而有效限制了试品闪络后的恢复过电压 防止试品闪络的恢复过电压的措施 5 2试验变压器的波形失真及改善措施 5 2 1试验变压器的波形要求 1 工频放电取决于电压的幅值 有效值定义为 2 试验电压的高次谐波会使有机绝缘材料的介损损耗增加 绝缘过热 耐压降低 频率要求 GB T16927 1 高电压试验技术 GB T15945 95 电力系统频率允许偏差 电压要求 GB12325 90 供电电压允许偏差 谐波要求 GB T14549 93 公用电网谐波 a 变压器的空载电流即激磁电流因铁心磁化曲线的非线性 而使得正弦电压时的励磁电流i 为非正弦即为一尖顶波形 含有3次及高次谐波 b 负载时 负载电流较大 但其中的激磁电流仍未有多少变化 i0 而负载分量则为正弦的 以平衡负载磁势 所以负载越大 原方电流越为正弦 试变励磁电流中的高次谐波造成的电压波畸变 原因分析 a 大部分试品为容量不大的容性试品 所以试变可认为近似于空载状态下运行 即试变原边电流i为非正弦的尖顶波 b 因调压器漏抗的影响有漏抗压降U3 式中U1为正弦 U3为非正弦 所以U1 也为非正弦 因此输出U2亦非正弦 试变励磁电流中的高次谐波造成的电压波畸变 原因分析 c 磁通饱和程度 畸变 d i0非正弦直接原因在于试变铁心使用到磁化曲线的饱和段 试变励磁电流中的高次谐波造成的电压波畸变 2 消除或减弱畸变措施 在试变原边并联L C串联谐振回路 使谐波短路 试变励磁电流中的高次谐波造成的电压波畸变 3次谐波 5次谐波 移圈及正弦波发电机 铁心是线性的 而感