高电压技术 课件 第7章绝缘耐压试验

第7章绝缘耐压试验从高电压产生、试验判据到测量系统STRESS→INSULATION→VERDICT高电压与绝缘技术·90分钟课堂90分钟学习路线TOTAL90MIN01工频耐压试验试验变压器·串级结构·串联谐振23min02直流耐压试验半波整流·倍压·串级直流发生器28min03冲击耐压试验1.2/50μs·波头/波尾·Marx回路25min04高电压测量与综合判断量程·响应·不确定度·试验方案选择14min目标：建立“应力—电源—回路—判据—测量”判断链02一张图看懂耐压试验体系三类电气应力+一套可信测量绝缘耐受能力工频持续交流应力直流稳态极性应力冲击微秒暂态应力测量量程·响应·±3%03AC7.1工频耐压试验持续交流应力·变压器·串联谐振45–55Hz·1min试验判据：升压、保持、观察、降压结论来自规定波形与时间下是否出现闪络、击穿或异常01升压按规定速度升至试验电压02保持45–55Hz通常1min03观察声响·冒烟·气体电表示值突变04降压判定无闪络、击穿或局部损伤规定条件内无异常→绝缘通过；任何异常都必须立即降压并查明原因GB/T16927.1—2011；DL/T474.4—201805容性试品决定试验变压器容量电源主要供给容性电流，容量随试验电压平方增长容性电流额定容量课堂例题已知C=5000pF，f=50Hz，U=230kV得到Ic=0.361A；电流不大，但电压进入容量的平方项U×2P×4思考：为何高电压试验装置的容量问题会迅速放大？06试验变压器：结构与典型接线短时、高压、小电流设计，保护与测量共同限定安全边界单套管一端接地·多用于300kV以下双套管中点接油箱·两端各输出U/2四个设计特征1室内工作，绝缘裕度小2短时运行，散热系统简化3试验电流小，容量较低4结构紧凑，便于试验场地布置B→T→R₁→试品Q、V负责测量；R₁限制试品击穿电流，R₂保护球隙来源：图7-1、图7-207串级变压器：电压逐级抬升，容量利用率下降解决单台绝缘与运输极限，却增加级间励磁容量和总漏抗T₁·3U₂I₂T₂·2U₂I₂T₃·U₂I₂三级输出3U₂总容量=6U₂I₂容量利用率η=2/(n+1)2250kV·三级通常串级级数不超过308串联谐振：用Q倍电压放大降低电源容量谐振时电源只补偿损耗，无功功率在L与C之间交换等效回路谐振条件与电压放大Q通常取40–80；发生击穿后条件被破坏，回路自动失谐L磁场储能Cₓ电场储能无功功率往返交换电源只补偿R上的损耗来源：图7-5；串联谐振关系式09为什么现场更偏爱变频串联谐振大电容试品需要高电压，但不必让电源承担全部无功容量1电源容量小约降到试品所需容量的1/Q2波形畸变小回路对基波频率谐振，输出更接近正弦3击穿后自失谐故障电流受电感限制，避免故障点扩大现场调谐路径30Hz300Hz调频寻找ωL=1/(ωC)适用：电缆、电容器、GIS、气体绝缘输电线路10DC7.2直流耐压试验整流·倍压·级联·泄漏电流−μA负极性·小电流·可测泄漏为什么用负极性直流，以及它能发现什么直流试验便于现场实施，但不能简单等同于交流工况能做什么大容量交流设备在试验能力受限时采用电流通常为毫安级，装置体积较小同时测量泄漏电流，发现受潮与集中缺陷负极性有利于防止外绝缘闪络必须警惕直流下电场由介质电阻率分布决定组合绝缘的直流强度往往高于交流对交流设备不一定更接近真实工况需要提高试验电压才可能获得等效考核试验选择的核心不是“更高电压”，而是“更匹配的电气应力”DL/T474.2—201812半波整流：峰值充电与负载放电形成纹波导通区补充电荷，阻断区电容向负载放电半波整流回路硅堆最高反向阻断电压：2Um带负载输出UmaxUmin导通：交流源→C补充电荷阻断：C→Rx放电来源：图7-7、图7-813纹波从哪里来，怎样把它压到3%以内纹波随负载电流增大，随频率与滤波电容增大而减小Id↑纹波↑f↑纹波↓C↑纹波↓S≤3%通常要求若负载电流加倍，至少怎样调整f或C才能保持纹波不变？直流电压纹波系数14倍压回路：每半周给不同电容充电分时充电、串联叠加，获得2Uₘ、3Uₘ1正半周V₁导通，C₁充至Uₘ2负半周V₂导通，C₂充至Uₘ2Uₘ二倍压三倍压每只硅堆最大反向电压仍为2Uₘ电蚊拍：四倍压→1000–3000V直流来源：图7-9、图7-1015串级直流发生器：理想空载输出2nUₘ逐级叠加降低变压器绝缘要求，但级数会带来纹波与压降基础单元多级叠加2nUₘ两级原回路等效切换模型用±E与开关解释硅堆轮流导通核心思想分时充电串联叠加来源：图7-11至图7-1416两级串级发生器的充电演进电容电压不能突变，换接使电位逐次抬升并趋于稳态1Ⅰ档：−E给C₁充电2Ⅱ档：C₁抬升并充C₂3Ⅰ档：C₂向C₃转移4Ⅱ档：C₃向C₄转移多次轮替后C₂、C₄各达到2EUout→4E来源：图7-15a–d17级数不是越多越好空载电压线性增加，带负载压降与纹波急剧恶化增加n的收益U₀≈2nUₘ空载电压近似线性上升增加n的代价δU∝n(n+1)压降、纹波与充电不均匀加剧减少级数·增大C·提高f→现场装置通常不超过5级来源：图7-16、图7-1718工频还是直流：选择取决于试品与等效性直流设备轻便，但对交流设备的电场分布不完全等效维度工频耐压直流耐压主要电流容性电流泄漏电流设备体积大容量试品时较大可做得较小贴近工况交流设备更直接部分设备等效性有限附加信息通过/击穿为主可同时测泄漏电流电场分布受介电常数影响受电阻率分布影响现场证据±1200kV车载式自动化直流耐压系统轻便不是目的应力匹配才是来源：图7-18191.2/507.3冲击耐压试验双指数波·波头/波尾·Marx回路μs标准雷电冲击波为何写成1.2/50μs快波头与慢波尾两个时间尺度共同逼近真实雷电冲击双指数叠加标准时间定义0.9Uₘ0.3UₘT₁=1.2μsT₂=50μs来源：图7-19、图7-2121波头由R₁C₂主导大电容向小电容快速充电，决定冲击电压的上升沿波头曲线0.3→0.9波头等效回路C₁≫C₂，故等效时间常数主要由R₁C₂决定来源：图7-20a、图7-20b22波尾由R₂C₁主导储能电容经大电阻缓慢放电，决定冲击电压的下降沿波尾等效回路半峰值时刻定义T₂组合后的双指数波电路令R₁≪R₂：一个回路同时塑造波头与波尾来源：图7-22、图7-2323利用系数：冲击幅值为何低于充电电压电容分压与电阻分压共同降低输出；移动R₁可提高利用率常规回路η≈0.7–0.8高利用系数回路η>0.9移动波头电阻R₁减少R₁的分压影响同一U₀下，回路利用系数越高，得到的冲击电压幅值越大来源：图7-24、图7-2524单级冲击电压发生器调压、整流、储能、触发、调波五个功能构成微秒脉冲源图7-26实际单级冲击电压发生器调压器：改变U₀高压硅堆：整流充电主电容C₁：储能球隙F：高速开关R₁/R₂：调节波形单级最高通常不超过200–300kV25Marx回路：并联充电，串联放电触发后球隙级联击穿，把各级电容瞬时串联到nUc1并联充电2球隙逐级击穿节点电位逐级跳变3串联放电来源：图7-27、图7-28、图7-2926触发方式决定重复性与稳定性自启动简单但分散性大，外加点火脉冲更可靠自启动间隙达到击穿电压自行启动整套装置可能提前击穿或拒动三电极触发点火脉冲→触发电极主间隙同步击穿3600kV高电压越高，触发同步性与可重复性越重要来源：图7-30、图7-3127±3%7.4高电压测量量程·响应·波形·不确定度测不准，就无法判定四类测量方法各自测到什么先判断电压类型与所需信息，再选择传感原理静电电压表稳态交流/直流连续读数·内阻高·不能测冲击测量球隙各类高电压峰值结构简单·需大气修正·破坏性读数高压分压器直流/交流/冲击量程广·响应快·可记录波形高压探头较低量程直接采集便携·连接示波器·注意额定范围通常高电压测量误差应控制在±3%以内29静电电压表与球隙：一个连续、一个击穿两种测量都避开常规电压互感器，却依赖不同物理量静电电压表f∝U²连续读数·几乎不耗能无法测量冲击电压标准测量球隙S≤D/2击穿距离→峰值电压需预放电、大气修正、多次平均来源：图7-32、图7-3330电阻式分压器：静态比例清楚，动态响应并不简单分压比由R₁/R₂决定；冲击测量还要控制发热、杂散电容与时间常数高阻值电阻柱图7-34电阻式分压器01静态分压比低压臂输出与总电压成比例，直流测量首先检查阻值精度与温漂。02直流边界：功耗与稳定性电阻过小会发热并改变阻值；电阻过大又更容易受泄漏与杂散电容影响。03冲击边界：分布参数改变响应沿电阻柱分布的杂散电容会旁路高频分量，需降低阻值并优化屏蔽结构。工程判断：静态比例正确≠冲击波形准确，必须验证阶跃响应与校准链来源：图7-34、分压比公式31电容式与阻容式分压器：用阻尼换取波形保真寄生电感会把快速前沿变成振荡；串联电阻用于耗散高频能量集中式电容结构紧凑·比例明确引线电感集中，高频振荡更突出分布式电容电容沿高度分布改善电位分布，但寄生参数仍需校核串联阻容式电阻提供分布阻尼抑制振荡，拓宽冲击测量频带寄生L、C高频振荡增加阻尼波形保真来源：图7-35a、图7-35b、图7-3632高压探头与测量链：任何失配都会改写波形传感器、传输线、终端和记录仪器必须作为一个动态系统共同校准高压探头图7-37P6015A高压探头先核对额定电压、分压比与带宽完整测量链分压器/探头量程·带宽同轴电缆特性阻抗Z₀终端匹配R=Z₀记录仪终端失配→入射波与反射波