高電壓擊穿試驗設備及高電壓擊穿強度的測量

高壓試驗設備是指產生交流、直流以及沖擊等各種高電壓的試驗設備，它們產生的各種波形的高電壓可用來模擬電氣設備在運行中可能受到的各種作用電壓，進行絕緣的耐壓試驗以檢驗絕緣耐受這些高電壓作用的能力。

高電壓的測量難度較大，對應于不同的測試對象有不同的測試方法。

工頻高壓試驗設備及其測量

工頻耐壓試驗是鑒定電氣設備絕緣強度有效和最直接的方法，它可以用來確定電氣設備絕緣的耐受水平, 可以判斷電氣設備能否繼續(xù)運行。它是避免在運行中發(fā)生絕緣事故的重要手段：工頻耐壓試驗時，對電氣設備絕緣施加比工作電壓高得多的試驗電壓，這些試驗電壓稱為電氣設備的絕緣水平，為避免試驗時損壞設備，工頻耐壓試驗必須在一系列非破壞性試驗之后再進行，只有經過非破壞性試驗合格后才允許進行工頻耐壓試驗。

作為基本試驗的工頻耐壓試驗，如何選擇恰當的試驗電壓是一個重要的問題，若試驗電壓過低，則設備絕緣在運行中的可靠性降低，在過電壓作用下發(fā)生擊穿的可能性增加。若試驗電壓過高，則在試驗時發(fā)生擊穿的可能性增加，從而增加檢修的工作量和檢修費用。一般考慮到運行中絕緣的老化和累積效應、過電壓的大小等，對不同的設備需要區(qū)別對待，這主要由運行經驗決定，我國有關國家標準對各類電氣設備的試驗電壓都有具體規(guī)定，

1.1 交流高壓試驗設備

交流高壓試驗設備主要指用于高壓試驗的特制變壓器，即高壓試驗變壓器。本小節(jié)除介紹高壓試驗變壓器外，還介紹高壓串聯(lián)諧振試驗裝置，

1.高壓試驗變壓器

高壓試驗變壓器的額定電壓很高，容量不大，所以，從外觀上看它的油箱體積不大，但是高壓套管卻比較高大，按照高壓套管的數量，可以將高壓試驗變壓器分為兩種類型，一種是如圖5-1(a)所示的單套管型，其高壓繞組一端接地，另一端輸出額定電壓。這時其高壓組和套管對鐵心和油箱的絕緣均按額定電壓要求來設計。另一種是如圖5-1(b)所示的雙套管型，其高壓繞組中點與鐵心、油箱相連，兩端各經一個套管引出，也是一端接地，另一端輸出額定電壓。但需要引起注意的是，此時鐵心和油箱對地電壓均升高為0.5倍額定電壓，所以油箱不能放在地上，必須按0.5倍額定電壓對地絕緣起來。采用雙套管型的好處是可以用兩個額定電壓只有0.5U的套管代替一個額定電壓為U的套管，用油箱外部的絕緣支柱來減輕變壓器和套管的制造難度和價格。單套管試驗變壓器額定電壓一般不超過250~300kV，而雙套管試驗變壓器最高額定電壓可達到750kV。

高壓試驗變壓器進行試驗時的接線如圖5-2所示。通常被試驗品都是電容性負載，試驗時電壓應從零開始逐漸升高。如果在工頻試驗，變壓器一次繞組上不是由零逐漸升壓，而是突然加壓，則由于勵磁涌流，會在試品上出現(xiàn)過電壓。如果在試驗過程中突然將電源切斷，這時相當于切除空載變壓器，也會引起過電壓，因此必須通過調壓器逐漸升壓和降壓。圖中T1為調壓器，用來調節(jié)試驗變壓器的輸入電壓。T2為試驗變壓器，用來升高電壓。Cx為被試品。F為保護球隙，用來限制試驗時可能產生的過電壓，以保護被試品。R為球隙保護電阻，用來限制球隙擊穿時流過球隙的短路電流，以保護球隙不被灼傷，一般取0.1~0.5Ω/V。r為保護電阻，用來限制被試品突然擊穿時在試驗變壓器上產生的過電壓及限制流過試驗變壓器的短路電流，一般取用0.1~1Ω/V。

高壓試驗變壓器一般都是單相的，在原理上與電力變壓器并無區(qū)別，但由于使用中的特殊要求，所以在結構和性能上有以下特點。

(1)電壓高，其高壓繞組的額定電壓應不小于被試品的試驗電壓值。

(2)絕緣裕度小，只在試驗條件下工作，不會遭受雷電過電壓及電力系統(tǒng)內部過電壓的作用。

(3)連續(xù)運行時間短，發(fā)熱較輕，不需要復雜的冷卻系統(tǒng)，但由于其絕緣裕度小，散熱條件又差，所以一般不允許在額定電壓下長時間連續(xù)使用。

(4)漏抗較大，高壓試驗變壓器變比大，高壓繞組電壓高，所以需用較厚的絕緣層和較寬的間隙距離，漏抗較大。

(5)容量小，被試品的絕緣一般為電容性的，在試驗中，被試品放電或擊穿前，試驗變壓器只需要為被試品提供電容電流和泄漏電流。如果被試品被擊穿，開關立即切斷電源，不會出現(xiàn)長時間的短路電流。所以試驗變壓器的容量一般不大，可按被試品的電容來確定，即：

式中：U為被試品的試驗電壓，kV；Cx為被試品的電容，μF；f為電源的頻率，Hz；S為試驗變壓器的容量，kV·A。

當需要更高的輸出電壓時，可將多臺試驗變壓器串接起來使用。圖5-3所示為常用的試驗變壓器串接的原理接線圖。各臺試驗變壓器高、低壓繞組的匝數分別對應相等，故各臺試驗變壓器高壓繞組的電壓相等，高壓繞組串聯(lián)起來輸出高電壓。這里，后級變壓器的勵磁電流由前級變壓器提供。

在串接式試驗裝置中，各臺試驗變壓器高壓繞組的容量是相同的，但各低壓繞組和累接繞組的容量并不相同。設該試驗變壓器串接裝置的額定試驗容量為3U2I2，則最高一級變壓器T3的高壓繞組額定電壓為U2，額定電流為I2，T3的額定容量為U2I2。中間級變壓器T2的額定容量應為2U2I2，這是因為T2除了要提供負荷所要求的U2I2容量外，還需要供給變壓器T3的勵磁容量U2I2。同理，第一級變壓器T1應具有的額定容量為3U2I2，所以每級變壓器的裝置容量是不相同的。如上所述，當串級數為3時，試驗變壓器串級裝置的輸出額定容量為S輸出=3U2I2，而試驗變壓器串級裝置的裝置總容量應為各變壓器容量之和，即S總=6U2I2。由此可見，三級串接的試驗變壓器串級裝置的利用系數為50%。若串接臺數為n，則總輸出容量為nSn，總的裝置容量為

則n級串接裝置容量的利用系數為

可見，隨著試驗變壓器串接臺數的增加，利用率降低。實際中，串接的試驗變壓器臺數一般不超過三臺。由圖5-3還可看出，T2、T3的外殼對地電位分別為U2和2U2，因此二者應分別用具有相應絕緣水平的絕緣支架或支柱絕緣子支撐起來，保持對地絕緣，

2.高壓試驗變壓器的調壓裝置

高壓試驗變壓器的調壓裝置應能從零值平滑地改變電壓, 最大輸出電壓應等于或稍大于試驗變壓器初級額定電壓, 輸出波形應盡可能接近正弦波, 漏抗應盡可能小,使調壓器輸出電壓波形畸變小。常用的調壓裝置有自耦調壓器、移圈式調壓器、感應調壓器和電動發(fā)電機組。

1)自耦調壓器

自耦調壓器的接線原理如圖5-4所示，它實際上就是自耦變壓器，只是它的二次側電壓抽頭是不固定的，而是用滑動碳刷觸頭或滾動觸頭沿著繞組移動。小容量的自耦調壓器容量一般≤20kV·A。用碳刷觸頭調壓實際是分級調壓，只不過每級分得較細,每級電壓的變化不超過2%。這種小容量調壓器價格不貴、攜帶方便、漏抗小、波形較好，在小容量試驗中大量采用。用油絕緣的自耦調壓器，容量可達50kV·A至幾百千伏安。新型產品采用特殊的滾動觸頭調壓。調壓過程不產生火花。輸出電壓在50%額定電壓以上時阻抗電壓較低，輸出電壓波形畸變小，輸出電壓與輸入電壓同相位。

2)移圈式調壓器

移圈式調壓器的接線原理如圖5-5(a)，結構如圖5-5(b)所示。圖中線圈C和D匝數相等而繞向相反，兩線圈互相串聯(lián)。線圈K是一個短路線圈，它套在線圈C和D之外，可以上下移動，由此而起調節(jié)電壓的作用。K的匝數與C和D相同。

當AX端加上電源電壓U1后，假若不存在短路線圈K，則線圈C和D的電壓降各為U1/2。由于繞組相反，它們所產生的主磁通ФC和ФD的方向也相反，ФC和ФD只能分別穿過非導磁材料(干式主要是空氣，油浸式則為油介質)自成閉合磁路，如圖5-5(b)所示?，F(xiàn)在線圈C、D旁還存在短路線圈K，當K的位置偏于一邊時，主磁通ФC和ФD將分別在K中產生方向和大小都不相等的電動勢，并在K中流過某一短路電流，此電流在鐵心中產生閉合的磁通ФK，ФK也會在線圈C和D產生感應電動勢，此感應電動勢的方向和大小隨K的位置變化而改變。如果在圖5-5中移K至最下端，可認為這時只有線圈C的磁通ФC與K相交鏈，而線圈D的磁通ФD幾乎不與K交鏈。因此，K所產生的磁通ФK幾乎與ФC大小相等方向相反，所以ФK在C中感應產生的電動勢幾乎與C中的原電動勢數值相等而方向相反。因此這時在C上幾乎沒有電壓降落，電源電壓U1幾乎降落在線圈D上。與不存在K的情況相比，此時K所產生的磁通ФK起了加強ФD的作用。由接線圖5-5(a)可見，這時輸出端ax上的電壓U2=0。當短路線圈K移至最上端時，ФK幾乎和ФD大小和等而方向相反，所以ФK將在線圈D上產生一個感應電動勢，它幾乎和線圈D的原電動勢大小相等方向相反。電源電壓U1幾乎全部降在線圈C上，輸出端ax間的電壓U2≈U1。當線圈K處于C與D的正中央時，由于ФC和ФD在K中產生的感應電動勢大小相等方向相反，K中不存在短路電流，所以不會產生ФK，此時與不存在K的情況一樣，輸出端ax上的電壓U2=U1/2。由上述過程可見，當短路線圈K由最下端連續(xù)而平穩(wěn)地向上移動至最上端時，ax端上的輸出電壓U2也將由零逐漸升至電壓的最大值。如果希望U2的調節(jié)值超過U1，則可在線圈C上增加一個輔助線圈E，主線圈C和線圈E之間可以相互自耦連接，構成自耦變壓器關系，如圖5-6所示。

移圈式調壓器短路電抗不是固定數值，它隨短路線圈K的位置不同而在很大范圍內發(fā)生變化，所以短路電抗值與輸出電壓相關。如圖5-6所示的調壓器，其短路電抗就是C和E之間的漏抗加上線圈D的感抗。當短路線圈K處于最下位置即輸出電壓為零時，D的感抗最大，這時即使把輸出端ax短路，一次側電流也不大，只有額定電流的幾分之一，這表明調壓器的短路等效電抗很大。隨著短路線圈K向上移，D的感抗減小，短路電抗也減小。當K處于最上端，即處在輸出電壓為最大值的位置時，D的感抗最小, 此時等效短路電抗也為最小。一臺移圈式調壓器的短路電抗與輸出電壓的關系曲線如圖5-7所示，圖中UK%為短路電壓(抗)的標幺值，S為線圈K的行程，S=1和當于K處于最上端(見圖5-6中)，即相當于輸出電壓為最大的時候。這種調壓器由于短路電抗大，因而減小了工頻高壓試驗下的短路容量。短路電抗隨調壓值而變化，可能使調壓過程中整個試驗回路系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振，由此會形成過電壓事故。移圈式調壓器的主磁通要經過一段非導磁材料，其磁阻很大，因此空載電流很大，約為額定電流的1/4~1/3。由于鐵心不易飽和，這一點使輸出波形畸變的因素有所減弱。但因試驗變壓器的激磁電流在電抗上存在壓降，所以會導致變壓器產生的波形有所畸變。

移圈式調壓器沒有滑動觸頭，容量能做得較大，容量范圍可達幾十千伏安到幾千千伏安。目前我國已能生產10kV/2500kV•A的移圈式調壓器，這種調壓器的缺點之一是體積大。容量較大的移圈式調壓器，常做成三個鐵心，它們各有自己的線圈，三個短路線圈由同一個升降機構帶動，可由一個電動機經蝸輪蝸桿來移動短路線圈。作為單相調壓器使用時，三個一次側線圈和三個二次側線圈分別并聯(lián)，三個線圈拆開可按星形連接作為三相調壓器使用。

3)電動發(fā)電機組

由電動機帶動同步發(fā)電機的轉子旋轉，通過調節(jié)發(fā)電機的激磁電流來調節(jié)發(fā)電機組的輸出電壓。這種方法的優(yōu)點是可以均勻平滑地調壓，可不受電網電壓波動的影響，并可以供給正弦的電壓波形(見圖5-8)。

采用電動發(fā)電機組時應注意下列幾點。

(1)為了供給正弦波形的電壓波，發(fā)電機必須是特殊設計的正弦波發(fā)電機。

(2)為了消除由于激磁的剩磁所引起的殘壓，使調壓從零開始，最好采用跨接在恒定直流電源間的滑動式雙電位計來調節(jié)激磁。

(3)一般情況下只需要單相發(fā)電機，但串級試驗變壓器有時可做三相運行，所以此時需要三相發(fā)電機。由于大多數情況下還是在單相運行，因此要求發(fā)電機不僅能滿足串級試驗變壓器三相運行時的功率需要，還得滿足單相運行時的功率需要。通常采用三相發(fā)電機兩相運行，其兩相運行時的輸出容量為發(fā)電機額定容量的，它應等于試驗變壓器的容量。

(4)拖動發(fā)電機所用的電動機可分為異步電動機、同步電動機及直流電動機三種。如用異步電動機，就無法供給電網頻率的輸出電壓，但其頻率可接近電網頻率；如用同步電動機，則頻率受電網頻率限制；如用直流電動機則可任意改變轉速，獲得所需的各種頻率。

(5)做高壓試驗時，發(fā)電機輸出端常常為電容負荷，必須防止自激現(xiàn)象。由于容性負載電流大于一定值時，容性電流起助磁作用，雖然激磁電流并無增加，但發(fā)電機的輸出電壓卻失去控制突然成倍上升，這種現(xiàn)象稱為發(fā)電機自激。為避免發(fā)電機自激，在容性負載大時，可在發(fā)電機端并聯(lián)補償電抗器。在有電抗器補償時，對容性試品來說，發(fā)電機容量可以選小一點，但其容量與電抗器容量之和仍不應小于變壓器的額定容量。電動發(fā)電機組價格很貴，因此只有在對試驗要求較高或有特殊要求的試驗室里才采用這種調壓裝置。

3.串聯(lián)諧振試驗裝置

在現(xiàn)場耐壓試驗中，當被試品的試驗電壓較高或電容值較大，試驗變壓器的額定電壓或容量不能滿足要求時，可采用串聯(lián)諧振試驗裝置進行試驗。試驗的原理接線圖和等值電路如圖5-9所示。等值電路中R為代表整個試驗回路損耗的等值電阻，L為可調電感和電源設備漏感之和，C為被試品電容，U為試驗變壓器空載時高壓端對地電壓。

當調節(jié)電感使回路發(fā)生諧振時，XL=XC，被試品上的電壓UC為

式中：Q為諧振回路的品質因數，是諧振時感抗(容抗)與回路中電阻R的比，所以也有Q=ωL/R。

諧振時ωL遠大于R，即Q值較大，故用較低的電壓U便可在被試品兩端獲得較高的試驗電壓。諧振時高壓回路流過相同的電流I, 而U=UC/Q, 所以試驗變壓器的容量在理論上僅需被試品容量的1/Q。利用串中聯(lián)諧振電路進行工頻耐壓試驗，不僅試驗變壓器的容量和額定電壓可以降低，而且被試品擊穿時，由于L的限流作用使回路中的電流很小，可避免被試品被燒壞。此外，由于回路處于工頻諧振狀態(tài)，電源中的諧波成分在被試品兩端大為減小，故被試品兩端的電壓波形較好。

工頻高電壓的測量

在工頻耐壓試驗中，試驗電壓的準確測量也是一個關鍵的環(huán)節(jié)。工顏高壓試驗的測量應該既方便又能保證有足夠的準確度，其幅值或有效值的測量誤差應不大于3%，測量工頻高壓的方法很多，概括起來可以分為兩類：低壓側測量和高壓側測量。

1.低壓側測量

低壓側測量的方法是在工頻試驗變壓器的低壓側或測量線圈(一般工頻試驗變壓器中設有儀表線圈或稱測量線圈，它的質數一般是高壓線圈的1/1000)的引出端接上相應量程的電壓表，然后通過換算，確定高壓側的電壓。在一些成套工頻試驗設備中,還常常把低壓電壓表的刻度直接用千伏表示，使用更方便。這種方法在較低等級的試驗設備中應用很普遍。由于這種方法只是按固定的匝數比來換算的, 實際使用中會有較大誤差,一般在試驗前應對高壓與低壓之比予以校驗。有時也將此法與其他測量裝置配合，用于輔助測量。

2.高壓側測量

進行工頻耐壓試驗時，被試品一般均屬電容性負載，試驗時的等值電路如圖5-10所示。電路圖中r為工頻試驗變壓器的保護電阻，XL表示試驗變壓器的漏抗，CX為被試品的電容。在對重要設備、特別是容量較大的設備進行工頻耐壓試驗時，由于被試品的電容Cx較大，流過試驗回路的電流為一電容電流Ic，Ic在工頻試驗變壓器的漏抗XL上將產生一個與被試品上的電壓UCx反方向的電壓降落IcXL，如圖5-11所示，從而導致被試品上的電壓比工頻試驗變壓器高壓側的輸出電壓還高，此種現(xiàn)象稱為容升現(xiàn)象，也稱為電容效應。由于電容效應的存在，就要求直接在測試品的兩端測量電壓，否則將會產生很大的測量誤差，也可能會人為造成絕緣損傷。被試品的電容量及試驗變壓器的漏抗越大，則電容效應越顯著。

1) 球隙

測量球隙是由一對相同直徑的銅球構成。當球隙之間的距離S與銅球直徑D之比不大時，兩銅球間隙之間的電場為稍不均勻電場，放此時延很小，伏秒特性較平，分散性也較小。在一定的球隙距離下，球隙間具有相當穩(wěn)定的放電電壓值。因此，球隙不但可以用來測量交流電壓的幅值,還可以用來測量直流高壓和沖擊電壓的幅值。

測盤球隙可以水平布置(直徑25cm以下都用水平布置)，也可以垂直布置。使用時，一般一極接地。測量球隙的球表面要光滑，曲率要均勻，對球隙的結構、尺寸、導線連接和安裝空間的尺寸如圖5-12所示。使用時下球極接地，上球極接高壓。

標準球徑的球隙放電電壓與球間隙距離的關系已制成國際通用的標準表(見附表1、附表2)。當S/D≤0.5且滿足其他有關規(guī)定時，用球隙測量的準確度可保持在±3%以內；當S/D為0.5~0.75時，其準確度較差，所以附表中的數值加括號；當S/D>0.75時，準確度更差，所以表中不再列出放電電壓值。由此可見，測量較高的電壓應使用直徑較大的球隙。球隙放電點P對地面的高度A以及對其他帶電或接地物體的距離S應滿足表5-1的要求，以免影響球隙的電場分布及測量的準確度。

用球隙測量高壓時，通過球隙保護電阻R將交流高電壓加到測量球間隙上，調節(jié)球間隙的距離，使球間隙恰好在被測電壓下放電，根據球隙距離S、球直徑D，即可求得所加的交流高壓值。由于空氣中的塵?；蚯?/span>面附著的細小雜物的影響(球隙表面需要擦干凈)，使球隙最初幾次的放電電壓可能偏低且不穩(wěn)定。故應先進行幾次預放電，最后取三次連續(xù)讀數的平均值作為測量值。各次放電的時間間隔不得小于1min，每次放電電壓與平均值之間的偏差不得大于3%。氣體間隙的放電電壓受大氣條件的影響，附表中的擊穿電壓值只適用于標準大氣條件，若測量時大氣條件與標準大氣條件不同，必須進行校正，以求得測量時的實際電壓。

表5-1 球隙對地和周圍空間的要求

用球隙測量直流高壓和交流高壓時，為了限制電流，使其不致引起球極表面燒傷，必須在高壓球極串聯(lián)一個保護電阻R，R同時在測量回路中起阻尼振蕩的作用。這個電阻不能太小，太小起不了應有的保護作用，但也不能太大，以免球隙擊穿之前流過球隙的電容電流在電阻上產生壓降而引起測量誤差。測量交流電壓時，這個壓降不應超過1%，由此得出保護電阻值應為

式中：Umax為被測電壓的幅值，V；f為被測電壓的頻率，Hz；K為由球徑決定的常數，其值可按表5-2決定，Ω/V。

表 5-2 K的取值