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交流高電壓擊穿試驗(yàn)與測量技術(shù)
閱讀：667發(fā)布時(shí)間：2024-5-16
高電壓試驗(yàn)與測量技術(shù)
為了檢驗(yàn)電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度，保證其不僅能在正常的工作電壓下安全可靠的運(yùn)行，而且具備耐受一定大小的各種過電壓的能力,，需要使用交流高電壓、直流高電壓,、沖擊高電壓和沖擊大電流等各種形式的高電壓和大電流對電氣設(shè)備的絕緣進(jìn)行耐受試驗(yàn),。絕緣耐壓試驗(yàn)的結(jié)果與使用的電壓、電流波形有密切關(guān)系,，因此應(yīng)盡可能將所產(chǎn)生的試驗(yàn)電壓和電流波形中的不利成分限制在容許范圍以內(nèi),，如交流高電壓中的高次諧波、直流電壓中的脈動分量,、沖擊高電壓與沖擊大電流中的振蕩分量等,。
除了要產(chǎn)生高電壓和大電流，還要準(zhǔn)確測量這些電壓和電流大小及波形,。由于一般的測量儀表受絕緣或發(fā)熱條件的限制,，往往不能直接用于測量高電壓和大電流，而要與能耐高電壓或能通過大電流的轉(zhuǎn)換裝置配合才能使用,。這類轉(zhuǎn)換裝置在承受高電壓或通過大電流時(shí).能按一定比例輸出一個減小的低電壓或小電流信號,，供低壓儀表進(jìn)行測量。根據(jù)儀表的讀數(shù)和比例系數(shù),，即可確定被測高電壓或大電流之值,。
根據(jù)目前高電壓和大電流測量技術(shù)能達(dá)到的水平，我國國家標(biāo)準(zhǔn)和國際電工委員會的推薦標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定：對于高電壓和沖擊大電流的測量,，除某些特殊情況外,，其誤差應(yīng)在土3%以內(nèi)。在高電壓測量中要達(dá)到這個要求并不是輕而易舉的,，因此必須對測量系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)的誤差加以控制,，所用的低壓指示儀表的準(zhǔn)確度至少為0.5級。
本章介紹產(chǎn)生交流高電壓,、直流高電壓,、沖擊高電壓和沖擊大電流四類試驗(yàn)設(shè)備，并按不同的測試對象講述相應(yīng)的測試方法,。
1 工頻交流高電壓試驗(yàn)
工頻交流高電壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度有效和最直接的方法,。它可用來確定電氣設(shè)備絕緣的耐受水平，判斷電氣設(shè)備能否繼續(xù)運(yùn)行,，是避免在運(yùn)行中發(fā)生絕緣故障的重要手段,。因此在進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)時(shí)，對電氣設(shè)備絕緣施加比工作電壓高得多的試驗(yàn)電壓,，這些試驗(yàn)電壓反映了電氣設(shè)備的絕緣水平,。耐壓試驗(yàn)?zāi)軌蛴行У匕l(fā)現(xiàn)導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度降低的各種缺陷。為避免試驗(yàn)時(shí)損壞設(shè)備,，工頻耐壓試驗(yàn)必須在一系列非破壞性試驗(yàn)之后進(jìn)行,，只有經(jīng)過非破壞性試驗(yàn)合格后，才允許進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn),。
對于220kV及以下的電氣設(shè)備,，一般用工頻耐壓試驗(yàn)來考驗(yàn)其耐受工作電壓和操作過電壓的能力，用全波雷電沖擊電壓試驗(yàn)來考驗(yàn)其耐受雷電過電壓的能力,。但必須指出,，確定這類設(shè)備的工頻試驗(yàn)電壓時(shí)，需同時(shí)考慮內(nèi)部過電壓和雷電過電壓的作用,。由于工頻耐壓試驗(yàn)比較簡單,，已被列為大部分電氣設(shè)備的出廠試驗(yàn)；在交接和絕緣預(yù)防性試驗(yàn)中也都需要進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn),。
在工頻耐壓試驗(yàn)中,，如何選擇恰當(dāng)?shù)脑囼?yàn)電壓值是一個重要的問題。若試驗(yàn)電壓過低,，無法起到檢測設(shè)備絕緣耐受能力的作用,；若試驗(yàn)電壓選擇過高，則在試驗(yàn)時(shí)發(fā)生擊穿的可能性以及產(chǎn)生的累積效應(yīng)都將增加,，會對設(shè)備絕緣造成一定損傷,，影響其正常運(yùn)行，一般要綜合考慮運(yùn)行中絕緣的老化及累積效應(yīng)和過電壓的大小,，對不同設(shè)備需加以區(qū)別對待,，這主要由運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來決定。我國有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)以及DL/T 596-1936《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中,，對各類電氣設(shè)備的試驗(yàn)電壓都有明確的規(guī)定,。按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，進(jìn)行工頻交流耐壓試驗(yàn)時(shí),，在絕緣上施加工頻試驗(yàn)電壓后,，要求持續(xù)1min，這個時(shí)間一是保證全面觀察被試品的情況,，同時(shí)也能使設(shè)備隱藏的絕緣缺陷來得及暴露出來,。該時(shí)間也不宜太長，以免引起不應(yīng)有的絕緣損傷,，使本來合格的絕緣發(fā)生熱擊穿,。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，凡經(jīng)受住1min工頻耐壓試驗(yàn)的電氣設(shè)備,，一般都能保證安全運(yùn)行,。
1.1 工頻耐壓試驗(yàn)
對電氣設(shè)備進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)時(shí),，常利用工頻試驗(yàn)變壓器來獲得工頻高電壓，其接線如圖6-1所示,。
在工頻耐壓試驗(yàn)下,，通常被試品都呈電容性負(fù)載，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)利用調(diào)壓器將電壓從零開始逐漸升高,。這是因?yàn)?，如果?/span>工頻試驗(yàn)變壓器一次繞組上電壓不是由零逐漸升高，而是突然施加,，則由于勵磁涌流會在被試品上產(chǎn)生過電壓,；如果在試驗(yàn)過程中突然將電源切斷，這相當(dāng)于切除空載變壓器,，當(dāng)試品電容較小時(shí)也將引起過電壓,。試驗(yàn)時(shí)如果被試品突然擊穿或放電，工頻試驗(yàn)變壓器不僅出于短路會產(chǎn)生過電流,，而且還將由于繞組內(nèi)部的電磁振蕩在工頻試驗(yàn)變壓器間或?qū)娱g絕緣上引起過電壓,。為此，在工頻試驗(yàn)變壓器高壓出線端串聯(lián)一個保護(hù)電阻r,，其作用一是限制短路電流,，二是阻尼放電回路的振蕩過程。保護(hù)電阻r的數(shù)值不宜太大或太小,，阻值太小短路電流會過大,，起不到應(yīng)有的保護(hù)作用；阻值太大會在正常工作時(shí)由于負(fù)載電流而有較大的電壓降和功率損耗,，從而影響加在被試品上的電壓值,。r的數(shù)值一般可按將回路放電電流限制到工頻試驗(yàn)變壓器額定電流的1～4倍來選擇，通常取0.1Ω/V,。另外,，保護(hù)電阻還應(yīng)有足夠的熱容量和足夠的長度，以保證當(dāng)被試品擊穿時(shí)不會發(fā)生沿面閃絡(luò),。
1.2試驗(yàn)變壓器的結(jié)構(gòu)形式及容量
高壓試驗(yàn)變壓器大多采用油浸式變壓器,，這種變壓器有金屬殼和絕緣殼(筒)兩類。金屬殼變壓器又可分為單套管和雙套管兩種,。單套管試驗(yàn)變壓器的高壓繞組一端可與外殼直接相連,，但為了測量上的方便，常將此端經(jīng)一個幾干伏的小套管引到外面再與外殼一起接地,，如有必要可經(jīng)過測量儀表后再與外殼一起接地,。這種結(jié)構(gòu)多用于300kV 以下的試驗(yàn)變壓器中。圖 6-2 為一雙套管試驗(yàn)變壓器的結(jié)構(gòu)示意,，高壓繞組分成兩部分繞在鐵心上,，中點(diǎn)與鐵心相連,，兩端點(diǎn)各經(jīng)過一只套管引出，X端接地,。因此,，高壓繞組和套管對鐵心、外殼的絕緣只需按全電壓的一半來考慮,，變壓器外殼對地的絕緣也按全電壓的一半來考慮。這種結(jié)構(gòu)大大減輕了變壓器內(nèi)絕緣的負(fù)擔(dān),，從而大大降低絕緣的成本和制造難度,，特別適用于1000～1500kV以上串級試驗(yàn)變壓器所構(gòu)成的交流高電壓試驗(yàn)裝備。
絕緣殼式試驗(yàn)變壓器是以絕緣殼(通常為環(huán)氧玻璃布筒或瓷套)來作為容器,，同時(shí)又用它作為外絕緣,，以省去高壓引出套管。其鐵心和繞組與雙套管金屬殼變壓器相同,，只是鐵心的兩柱常常是上下排列的(也有左右排列的),。鐵心需要用絕緣支撐起來，高壓繞組的高壓端A從絕緣殼上端穿出,，與金屬上蓋連在一起,，接地端X以及低壓繞組兩端則從絕緣殼下端的適當(dāng)位置引出。這種結(jié)構(gòu)體積小,、質(zhì)量輕,、成本也低，有顯著的優(yōu)點(diǎn),。
由于被試品大多為電容性,，已知被試品的電容量(參見表6-1)及所加的試驗(yàn)電壓值時(shí)，便可計(jì)算出試驗(yàn)電流及試驗(yàn)所需的變壓器容量,，即
式中：U為試驗(yàn)電壓(有效值),，kV；C為試品電容量,，pF,；f為電源頻率，Hz,。
表 6-1 常見試品的電容量
試品名稱 | 線路絕緣子 | 高壓套管 | 高壓斷路器,、電流互感器、電磁式電壓互感器 | 電容式電壓互感器 | 電力變壓器 | 電力電纜（m） |
電容值（pF） | ＜50 | 50~600 | 100~1000 | 3000~5000 | 1000~15000 | 150~400 |
當(dāng)單臺試驗(yàn)變壓器的電壓超過500kV時(shí),，制造成本隨電壓的上升而迅速增加,，同時(shí)在機(jī)械結(jié)構(gòu)和絕緣設(shè)計(jì)上都有很大困難，此外運(yùn)輸與安裝亦有困難,。所以,，目前單臺試驗(yàn)變壓器的額定電壓很少超過750kV,。需要1000kV以上的電壓時(shí)，常采用幾臺變壓器串接的方法,，即將幾臺變壓器高壓繞組的電壓相疊加,，從而使單臺變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)大為簡化。
圖6-3所示為一種常用的三級串級試驗(yàn)變壓器的連接方式,。圖中后一級的變壓器勵磁電流是由前一級的變壓器來供給,。設(shè)該裝置輸出的額定試驗(yàn)容量為3UI，則最后一級變壓器T3的高壓繞組額定電壓為U,，額定電流為I,，裝置的額定容量為UI。中間一級變壓器T2的裝置額定容量為2UI,，這是因?yàn)門2除了要直接供給負(fù)荷Ul的容量外,，還得供給最后一級變壓器T3的勵磁容量U1。同理,，最前面一臺變壓器T1應(yīng)具有的裝置額定容量為3U1,。所以，每級試驗(yàn)變壓器的裝置容量是不相同的,。如上例所述,，當(dāng)串級數(shù)為3時(shí)，則串級變壓器的輸出額定總?cè)萘繛镻ST=3UI,，而整套設(shè)備的裝置總?cè)萘繎?yīng)為各變壓器裝置容量之和,，即
所以，試驗(yàn)容量PSZ與裝置總?cè)萘?/span>PSZ之比為1/2,，
由圖6-3還可以看出,，T2和T3的外殼對地電位分別為U和2U，因此二者應(yīng)分別用絕緣水平為U和2U的支撐絕緣子或瓷套將其支撐起來,，保持對地絕緣,。
1.3試驗(yàn)變壓器的調(diào)壓裝置
供給交流高壓試驗(yàn)變壓器電源的調(diào)壓裝置有自耦式調(diào)壓器，移卷式調(diào)壓器,，感應(yīng)式調(diào)壓器和電動一發(fā)電機(jī)組,。
白耦式調(diào)壓器調(diào)壓的特點(diǎn)為調(diào)壓范圍廣、功率損耗小,、漏抗小,，對波形的畸變少，體積小,，價(jià)格低廉,。當(dāng)試驗(yàn)變壓器的功率不大時(shí)(單相不超過10kVA)，這是一種被普遍應(yīng)用的很好的調(diào)壓方式。但當(dāng)試驗(yàn)變壓器的功率較大時(shí),，由于調(diào)壓器滑動觸頭的發(fā)熱,、部分線匝被短路等所引起的問題較嚴(yán)重，這種調(diào)壓方式就不適用..
移卷式調(diào)壓器不存在滑動觸頭及直接短路線的問題,，故容量可做得很大,，且可以平滑無級調(diào)壓。但因移卷式調(diào)壓器的漏抗較大,，且隨調(diào)壓過程而變,，這樣會使空載勵磁電流發(fā)生變化，試驗(yàn)時(shí)有可能出現(xiàn)電壓諧振現(xiàn)象,，出現(xiàn)過電壓,。這種調(diào)壓方式被廣泛地應(yīng)用在對波形的要求不十分嚴(yán)格、額定電壓為100kV及以上的試驗(yàn)變壓器上,。
特制的單相感應(yīng)式調(diào)壓器性能與移卷式調(diào)壓器相似，但對波形的畸變較大,，本身的感抗也較大,，且價(jià)格較貴，故一般很少采用,。
電動一發(fā)電機(jī)組調(diào)壓方式能得到很好的正弦交流電壓波形和均勻的電壓調(diào)節(jié),，且不受電網(wǎng)電壓質(zhì)量的影響，可用于大容量試驗(yàn)變壓器的調(diào)壓,。如果采用直流電動機(jī)作為原動機(jī),，則還可以調(diào)節(jié)試驗(yàn)電壓的頻率。但這種調(diào)壓方式所需的投資及運(yùn)行費(fèi)用很大,，運(yùn)行和管理的技術(shù)水平也要求較高,，故這種調(diào)壓方式只適宜對試驗(yàn)要求很嚴(yán)格的大型試驗(yàn)基地應(yīng)用。
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