高电压技术第三章电气设备绝缘试验技术

第一篇高电压绝缘与试验,第三章电气设备绝缘试验技术,主要内容,3-1绝缘参数的测量(电气设备特性试验)3-2工频高电压试验(交流耐压试验)3-3直流高电压试验(直流耐压试验)3-4冲击高电压试验,电气设备进行绝缘试验的必要性,电力系统的规模、容量不断地扩大，停电造成的损失越来越严重。绝缘往往是电力系统中的薄弱环节，绝缘故障通常是引发电力系统事故的首要原因。电介质理论仍远未完善，须借助于各种绝缘试验来检验和掌握绝缘的状态和性能。,绝缘预防性试验的目的：绝缘故障大多因内部存在缺陷而引起，通过测量电气特性的变化来发现隐藏着的缺陷。,电气设备绝缘缺陷分类集中性缺陷(如绝缘开裂、局部磨损、局部受潮、介质中内含气泡、杂质等)分布式缺陷(绝缘全面受潮、老化、变质等),高压绝缘试验分类非破坏性试验(检查性试验或特性试验)检查绝缘电气强度以外的其它电气性能。破坏性试验(耐压试验)检查绝缘的电气强度。,绝缘预防性试验准则先进行非破坏性试验，再进行破坏性试验。,3-1绝缘参数的测量3-2工频高电压试验3-3直流高电压试验3-4冲击高电压试验,3.1绝缘参数的测量,一、绝缘电阻和吸收比的测量二、介质损失角正切tg的测量三、局部放电的测量四、绝缘油的色谱分析,绝缘电阻最基本的综合性特性参数。组合绝缘和层式结构，在直流电压下均有明显的吸收现象，使外电路中有一个随时间而衰减的吸收电流。吸收比检验绝缘是否严重受潮或存在局部缺陷。泄漏电流所加直流试验电压高得多。,一、绝缘电阻和吸收比的测量,一、绝缘电阻和吸收比的测量,开关S合闸作为时间的起点，在极短的时间内，层间电压按下式分布。,双层介质的吸收现象,双层介质等效电路图,一、绝缘电阻和吸收比的测量,达到稳态时（t），层间电压按电阻分配,此时回路电流为电导电流,吸收和泄漏电流及绝缘电阻的变化曲线,由于吸收现象，U1U10,U2U20，在这个过程中的夹层按下式变化,一、绝缘电阻和吸收比的测量,流过夹层电流：,绝缘上的电阻值为：,当绝缘严重受潮或出现导电性缺陷时，阻值R1、R2或两者之和显著减小，Ig大大增加，而Ia迅速衰减。,一、绝缘电阻和吸收比的测量,Ig:电导电流ia:吸收电流,意义绝缘电阻指吸收电流按指数规律衰减完毕后测得的稳态电阻值，测量绝缘电阻可有效反应绝缘整体受潮、局部严重受潮或贯穿性缺陷等。,如绝缘良好，吸收现象显著，一般吸收比不小于1.3，或极化指数不小于1.5。,试品容量小，吸收比：,一、绝缘电阻和吸收比的测量,R60已经接近于稳态绝缘电阻值，K恒大于1,K越大表示吸收现象越显著，绝缘性能越好。,吸收比是同一试品在两个不同时刻的绝缘电阻的比值，所以排除了绝缘结构和体积尺寸的影响。一般以K大于1.3作为设备绝缘状态良好的标准亦不尽合适，有些变压器的K虽大于1.3，但R值却很低；有些K小于1.3，但R值却很高。所以应将R值和K值结合起来考虑，方能作出比较准确的判断。,一、绝缘电阻和吸收比的测量,大容量电气设备中，吸收现象延续很长时间，吸收比不能很好地反映绝缘的真实状态，用极化指数再判断。,一、绝缘电阻和吸收比的测量,试品容量大，极化指数：,某些集中性缺陷已相当严重，以致在耐压试验时被击穿，但在此前测得的绝缘电阻、吸收比、极化指数却并不低，因为缺陷未贯穿绝缘。可见仅凭上述试验结果判断绝缘状态是不够的。,绝缘电阻的测量定义：工程上常用兆欧表(摇表)进行测量，以加压60s后读数为试品的绝缘电阻。原理：电压线圈与电流线圈中电流在磁场中产生转动力矩，在力矩差作用下，旋转到平衡为止。指针偏角与绝缘电阻关系：,一、绝缘电阻和吸收比的测量,绝缘电阻的测量定义：工程上常用兆欧表(摇表)进行测量，以加压60s后读数为试品的绝缘电阻。原理：电压线圈与电流线圈中电流在磁场中产生转动力矩，在力矩差作用下，旋转到平衡为止。指针偏角与绝缘电阻关系：,一、绝缘电阻和吸收比的测量,图为手摇式兆欧表测量电力电缆绝缘电阻的接线图。,兆欧表有三个接线端子：线路端子（L）、接地端子（E）和保护（屏蔽）端子（G）。被试绝缘接在端子L和E之间，而保护端子G的作用是使绝缘表面泄漏电流不要流过线圈测得的绝缘体积电阻不受绝缘表面状态的影响。,一、绝缘电阻和吸收比的测量,介质损耗角正切tg是绝缘品质的重要指标，介质的功率损耗与tg成正比。测量tg是判断电气设备绝缘状态的灵敏有效的方法；tg能反映绝缘的整体性缺陷(全面老化)和小容量试品中的严重局部性缺陷；tg随电压变化的曲线可以判断绝缘是否受潮，含有气泡及老化的程度；大容量的设备绝缘存在局部缺陷时，应尽可能将设备解体后分解测量进行分析。,二、介质损失角正切tg的测量,1.tg的测量方法西林电桥(QS1型),Rx：被试品等值电阻;Cx：被试品等值电容;R3：可调的无感电阻；CN：标准电容器电容；C4：为可调电容；R4：定值无感电阻；P：交流检流计。,QS1型电桥接线图,二、介质损失角正切tg的测量,调节R3和C4，检流计的电流为0，电桥平衡。,式中：,二、介质损失角正切tg的测量,求得试品的等值电容Cx和等值电阻Rx,介质并联等值电路的介质损耗角正切,二、介质损失角正切tg的测量,因为=2f=100，如取R4=10000/，并取C4的单位为F，则简化为：,试品电容,二、介质损失角正切tg的测量,2.QS1型西林电桥接线原理图,电桥平衡的反接线过程与正接线时无异，所不同者在于各个调节元件、检流计和屏蔽网均处于高电位，故必须保证足够的绝缘水平和采取可靠的保护措施。,二、介质损失角正切tg的测量,正接法,反接法,3.电桥测量的影响因素杂散电容电流；杂散电导电流；试品表面泄漏；周围其它试品的影响；外界电源对电桥的干扰；解决方法：加设屏蔽；采用移相电源；采用倒相法消除磁场干扰方法：将电桥移到磁场干扰范围以外；将检流计极性开关置于不同位置时调节电桥平衡测得试品介损和电容值再求平均值。,二、介质损失角正切tg的测量,温度tg随温度的增高而增大（固体电介质具有负温度系数）。为便于比较，应将在各种温度下测得的值换算到20时的值。试验电压当绝缘存在故障时，tg值与电压非线性。试品表面泄漏测试前应清除绝缘表面的积污和水分，必要时还可以在绝缘表面上装设屏蔽极试品电容量电容量试品大，只能发现整体分布性缺陷，用测量tg的方法来判断绝缘状态就不很灵敏了。,4.tg测量影响因素,二、介质损失角正切tg的测量,局部放电是引起电介质老化的重要原因之一。测定电气设备在不同电压下的局部放电强度和发展趋势，就能判断绝缘内是否存在局部缺陷以及介质老化的速度和目前的状态。局部放电的基本概念，表征局部放电的重要参数。局部放电检测发展历史及测量方法。脉冲电流法的测量原理。,三、局部放电的测量,1.局部放电的基本概念,绝缘内部气隙局部放电的等值电路如图所示,三、局部放电的测量,1.局部放电的基本概念气隙上电压为：,真实放电量(不可测量)：,放电过程：Ug气隙放电至Ur熄灭完成局放；,气隙压降：,三、局部放电的测量,Ca上的电压变化为：,Ua及q是可以测量的，常将q作为度量局放强度参数；直流电压下，单位时间内放电次数要比交流下低得多；直流下局部放电产生的破坏作用远比交流下小。,视在放电量(可测量)：,视在放电量与真实放电量的关系：,三、局部放电的测量,放电过程示意图外部电压u、空间电荷q、气隙电压uc的时间变化图,三、局部放电的测量,表征局部放电的重要参数：放电重复率：每秒发生放电脉冲的平均次数；放电能量：一次局部放电所消耗的能量；,局部放电其它参数平均放电电流；放电的均方率；放电功率；局部放电起始电压；局部放电熄灭电压；,q：视在放电量Ui：局部放电起始电压,三、局部放电的测量,三、局部放电的测量,局部放电检测方法综述,2.局部放电的脉冲电流检测方法-电检测法,（a）并联法测量回路（b）串联法测量回路（c）平衡法测量回路,Cx：试品；Ck：耦合电容；Zd：检测阻抗；Zm：保护电阻；M：测量仪器,三、局部放电的测量,2.局部放电的脉冲电流检测方法,检测阻抗RC型检测阻抗RLC型检测阻抗,局部放电量标定,三、局部放电的测量,小结,局部放电的检测已成为确定产品质量和进行绝缘预防性试验的重要项目之一。试验内容包括测量视在放电量、放电重复率、局部放电起始电压和熄灭电压、放电的具体部位。表征局部放电的参数主要有：视在放电量、放电重复率、放电能量等。伴随局部放电会出现多种现象：包括电、光、噪声、气压变化、化学变化等。局部放电的检测方法很多，包括非电检测和电气检测两大类。主要介绍了脉冲电流法的测量原理。,绝大多数大型电力变压器选用油纸或油和纸板组成的绝缘结构。当变压器内部发生热故障、放电性故障或者油、纸老化时均会产生各种气体。所产生的气体在油里经对流、扩散，不断地溶解于绝缘油中。发热和放电的产生程度不同，所产生的气体种类、油中溶解气体的浓度、各种气体的比例关系也不相同。当固体绝缘发生故障时，CO和CO2会明显增长。油中溶解气体的组分和含量可以作为反映充油式电力变压器绝缘故障的特征量。,四、绝缘油中溶解气体的色谱分析,油中所含溶解气体,H2,C2H4,C2H2,CH4,C2H6,四、绝缘油中溶解气体的色谱分析,故障类型和特征气体关系,四、绝缘油中溶解气体的色谱分析,三比值编码诊断方法故障判断,什么是绝缘的高电压试验？在高压试验室用工频交流高压、直流高压、雷电冲击高压、操作冲击高压等模拟电气设备的绝缘在运行中受到的工作电压，用以考验各种绝缘耐受这些高电压作用的能力。,绝缘高电压试验,特点：具有破坏性试验的性质。一般放在非破坏性试验项目合格通过之后进行，以避免或减少不必要的损失。,2-1绝缘参数的测量2-2工频高电压试验2-3直流高电压试验2-4冲击高电压试验,2工频高电压试验,2.1工频高电压的产生2.2工频高电压的测量,通常采用高压试验变压器或其串级装置来产生。对电缆、电容器等电容量较大的被试品，可采用串联谐振回路来获得试验用的工频高电压。工频高压装置是高压试验室中最基本的设备，也是产生其他类型高电压的设备基础部件。,一、工频高电压的产生,国标规定：在设备绝缘上加上工频试验电压1分钟，不发生闪络或击穿现象，认为设备合格，否则不合格。工频耐压原理接线：,1-电源开关；2-调压器；3-电压表；4-试验变压器；5-变压器保护电阻；6-试品；7-测量铜球保护电阻；8-测量铜球,一、工频高电压的产生,1.高压试验变压器的特点(1)电压高(2)容量小试验变压器高压侧电流I和额定容量P主要取决于试品的电容，即,一、工频高电压的产生,(3)体积小按套管可以分为：全绝缘单套管式(绝缘按额定电压U设计),半绝缘双套管式(绝缘按1/2U设计)。,1.高压试验变压器的特点(4)绝缘裕度小试验变压器本身应有很好的绝缘，但绝缘裕度小，试验过程中要严格限制过电压；(5)连续运行时间短试验变压器连续运行时间不长，发热较轻，因而不需要复杂的冷却系统(6)漏抗较大(短路电流较小)漏抗大，短路电流较小,一、工频高电压的产生,（a）全绝缘（单套管）（b）半绝缘（双套管）,全绝缘和半绝缘试验变压器,(a)全绝缘试验变压器特点：输出高压对壳绝缘，承受全部高压，高压绕组对壳为全部绝缘。需一支套管承受；,(b)半绝缘试验变压器特点：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。,一、工频高电压的产生,一、工频高电压的产生,2.串级试验变压器变压器的体积和重量近似地与其额定电压的三次方成比例。当所需的工频试验电压很高（例如超过750kV）时，再采用单台试验变压器来产生在技术和经济上不合理。U1000kV时,采用若干台试验变压器组成串级装置来满足要求。,串级试验变压器结构,T1:第1级试验变压器；1：低压绕组T2:第2级试验变压器；2：高压绕组T3:第3级试验变压器；3：励磁绕组,一、工频高电压的产生,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：3U2I2,一、工频高电压的产生,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,装置利用率串级试验变压器容量：W试=3U2I2=3W各级试验变压器总容量：W装=U2I2+2U2I2+3U2I2=6W,装置利用率W试/W装=0.5,n级串级装置的容量利用率,一、工频高电压的产生,3.常用的调压装置有：如果在试验变压器初级绕组上突然从零开始升压，由于励磁涌流在被试品上产生过高的在电压，或者试验中突然切断电源，由于切除空载变压器也将引起过电压。因此，必须通过调压器升压和降压。(1)自耦调压器(2)移圈式调压器(3)电动发电机组,一、工频高电压的产生,4.工频试验中的过电压(1)稳态性的电压升高(容升效应),“容升”原理及测量误差分析,一、工频高电压的产生,4.工频试验中的过电压(2)瞬态性的电压升高串联谐振过电压产生原因：移圈调压器的漏抗与输出电压有关，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。抑制措施：初级绕组侧接入保护设备。试品闪络引起的恢复过电压：产生原因：试品突然击穿或放电，由于绕组内部电磁振荡过程在试验变压器绝缘上引起的过电压。抑制措施：在试变高压侧出线端串接保护电阻以限制过电压、过电流。,一、工频高电压的产生,保护电阻,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150200kV(r.m.s)/m选取。,一、工频高电压的产生,1.球隙测量电压是峰值，可测量直流、交流、和冲击电压。特点：唯一能直接测量高达数兆伏的各类高压峰值的测量装置。由一对直径相同的金属球构成，测量误差约23。一定直径的球隙在一定极间距离时的放电电压为一定值。使用时，必须接上保护电阻以限制放电时的电流和振荡。优点：击穿时延小，具有比较稳定的放电电压值和较高的测量精度50%冲击放电电压与静态放电电压的幅值几乎相等。不必对湿度进行校正。,二、工频高电压的测量,2.2交流高电压的测量,2.静电电压表用测量施加电压的两板上的静电力的大小或是由该静电力产生的某一极板的偏移（或偏转）来反映所加电压的大小的表计称静电电压表。,2.静电电压表由静电场理论,静电电压表的优点内阻抗特别大，几乎不消耗什么能量；能测量相当高的交流和直流电压。,二、工频高电压的测量,静电电压表测得的是电压有效值。,3、峰值电压表（1）利用整流电容电流来测量交流高压；,二、工频高电压的测量,（2）利用电容器充电电压来测量交流电压,利用峰值电压表，可直接读出电压的峰值，与用球隙测压器测峰值相比，可大大简化测量过程。但是被测电压波形必须是平滑上升的，否则就会产生误差。指示仪表可以是指针式表计，也可以是具有存储功能的数字式电压表。,二、工频高电压的测量,分压器每一个分压器均由高压臂(Z1)和低压臂(Z2)组成，在低压臂上得到的就是分给测量仪器的低电压u2，总电压u1与u2之比称为分压比（K）。,二、工频高电压的测量,Z1,Z2,分压器基本要求：(1)无波形畸变；(2)分压比恒定；(3)分压器接入对被测电压影响微小。,2.2交流高电压的测量（续1）,4.电容分压器,高压臂电容器电容量要小且承受大部分高压及较小损耗，一般采用标准电容器；低压臂电容器电容要大，承受电压低，可采用油浸纸电容器、云母电容器等。,分压比：,二、工频高电压的测量,电容分压器的测量回路,电容分压器也存在对地杂散电容，但由于分压器本身也是电容，所以杂散电容只会引起幅值误差，而不会引起波形畸变。,工频高压试验的作用；工频高压试验的试验电压和试验时间的确定；工频高压试验接线；工频高压的两种产生方式；工频试验变压器特点；工频试验变压器的几种调压方式；工频高压的测量方法；,小结,3-1绝缘参数的测量3-2工频高电压试验3-3直流高电压试验3-4冲击高电压试验,3.3直流高电压试验,一、直流高电压的产生二、直流高电压的测量,3.3直流高电压试验,被试品的电容量很大的场合（例如长电缆段、电力电容器等），用工频给交流高电压进行绝缘试验时会出现很大的电容电流，要求试验装置具有很大的容量，很难做到。这时用直流高电压试验来代替工频高电压试验。直流输电工程的增多促使直流高电压试验的广泛应用。,将工频高电压经高压整流器而变换成直流高电压。利用倍压整流原理制成的直流高压串级装置（或称串级直流高压发生器)能产生出更高的直流试验电压。,一、直流高电压的产生,1.半波整流回路,一、直流高电压的产生,高压整流器,高压整流器主要技术参数额定整流电流通过整流器的正向电流在一个周期内的平均值。额定反峰电压当整流器阻断时，其两端容许出现的最高反向电压峰值。电路空载时整流器两端承受的反向电压：,一、直流高电压的产生,最大反向电压：,平均直流电压：脉动幅值：脉动系数：半波整流电路：,一、直流高电压的产生,整流回路的基本技术参数,IEC和国标要求加在试品上的脉动电压的脉动系数不超过3%。,负半波时,一、直流高电压的产生,2.倍压整流回路,正半波时,一、直流高电压的产生,电压脉动：最大电压平均值：平均电压电压降落：脉动系数：,一、直流高电压的产生,3.串级直流发生器,串级直流发生器原理图,1.用球隙测量直流高电压的最大值2.高电阻串联微安表测量,二、直流高电压的测量,3.电阻分压器,二、直流高电压的测量,同轴电缆可以避免输出波形在这段距离内受到周围电磁场的干扰。终端并联匹配电阻R以避免冲击波在终端处的反射。,特点：只有微安级泄漏电流，试验设备的容量较小。试验时可同时测量泄漏电流，由所得得“电压电流”曲线能有效地显示绝缘内部的集中性缺陷或受潮。用于旋转电机时，能使电机定子绕组的端部绝缘也受到较高电压的作用，发现端部绝缘中的缺陷。非破坏性试验的性质。直流电压下，绝缘内的电压分布由电导决定，因而与交流运行电压下的电压分布不同，所以交流电气设备的绝缘考验不如交流耐压试验那样接近实际。,三、直流高电压试验的特点和应用范围,直流高电压的广泛应用直流耐压试验各种输电设备的直流高压试验典型气隙的直流击穿特性超高压直流输电线上的直流电晕及其各种派生效应。各种绝缘材料和绝缘结构在直流高压下的电气性能。各种直流输电设备的直流耐压试验。,三、直流高电压试验的特点和应用范围,3-1绝缘参数的测量3-2工频高电压试验3-3直流高电压试验3-4冲击高电压试验,研究电气设备在运行中遭受雷电过电压和操作过电压的作用时的绝缘性能。许多高压试验室中都装设了冲击电压发生器，用来产生试验用的雷电冲击电压波和操作冲击电压波。高压电气设备在出厂试验、型式试验时或大修后都必须进行冲击高压试验。,3.4冲击高电压试验,3.4冲击高电压试验,一、冲击高电压的产生二、冲击高电压的测量,一、冲击高电压的产生,1.单级冲击电压发生器,单级冲击电压发生器基本回路,C0放电回路,标准雷电冲击全波采用的是非周期性双指数波。,波前形成过程：波尾形成过程：,一、冲击高电压的产生,C0U0,Rf,Cf,Rt,Cf+C0,冲击电压发生器的近似计算,一、冲击高电压的产生,波前,时间常数,根据冲击视在波前时间T1的定义,由以上两式可以解得冲击电压视在波前时间,一、冲击高电压的产生,波尾电压u2可近似用下式表示,一、冲击高电压的产生,式中波尾时间常数,视在半峰时间,一、冲击高电压的产生,2.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200300kV。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,一、冲击高电压的产生,R：充电电阻；r：硅堆保护电阻，rR；C1C4：主电容；rd：阻尼电阻；g1：点火球隙；g2g4：中间球隙；g0：隔离球隙；Rf：波头电阻；Rt：波尾电阻；C0：试品电容；,基本原理并联充电，串联放电,一、冲击高电压的产生,冲击电压发生器充电过程等值电路,冲击电压发生器放电过程等值电路,一、冲击高电压的产生,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Uc，当F1的电压上升到等于Uc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，处于准备动作状态，然后利用装置产生一点火脉冲，送到F1的一个球电极上。,冲击电压发生器特性参数：(1)额定电压(2)冲击电压发生器的级数(3)冲击电压发生器的最大冲击能量(4)效率,一、冲击高电压的产生,3.操作冲击高压的获得,一、冲击高电压的产生,国家标准规定：额定电压大于220kV的超高压电气设备在出厂试验、型式试验中，不能象220kV及以下的高压电气设备那样以工频耐压试验来等效取代操作冲击耐压试验。,一、冲击高电压的产生,（1）为大大拉长波前，又使发生器的利用系数降低不是很多，需采用高效率回路。（2）计算