高電壓試驗與測量技術(shù)

為了檢驗電氣設(shè)備的絕緣強度，保證其不僅能在正常的工作電壓下安全可靠的運行，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)備的絕緣進行耐受試驗。絕緣耐壓試驗的結(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.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)能達到的水平，我國國家標準和國際電工委員會的推薦標準都規(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

工頻交流高電壓試驗是檢驗電氣設(shè)備絕緣強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)運行，是避免在運行中發(fā)生絕緣故障的重要手段。因此在進行工頻耐壓試驗時，對電氣設(shè)備絕緣施加比工作電壓高得多的試驗電壓，這些試驗電壓反映了電氣設(shè)備的絕緣水平。耐壓試驗?zāi)軌蛴行У匕l(fā)現(xiàn)導(dǎo)致絕緣強度降低的各種缺陷。為避免試驗時損壞設(shè)備，工頻耐壓試驗必須在一系列非破壞性試驗之后進行，只有經(jīng)過非破壞性試驗合格后，才允許進行工頻耐壓試驗。

對于220kV及以下的電氣設(shè)備，一般用工頻耐壓試驗來考驗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來考驗其耐受雷電過電壓的能力。但必須指出，確定這類設(shè)備的工頻試驗電壓時，需同時考慮內(nèi)部過電壓和雷電過電壓的作用。由于工頻耐壓試驗比較簡單，已被列為大部分電氣設(shè)備的出廠試驗；在交接和絕緣預(yù)防性試驗中也都需要進行工頻耐壓試驗。

在工頻耐壓試驗中，如何選擇恰當?shù)脑囼?/span>電壓值是一個重要的問題。若試驗電壓過低，無法起到檢測設(shè)備絕緣耐受能力的作用；若試驗電壓選擇過高，則在試驗時發(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，影響其正常運行，一般要綜合考慮運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，這主要由運行經(jīng)驗來決定。我國有關(guān)國家標準以及DL/T 596-1936《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》中，對各類電氣設(shè)備的試驗電壓都有明確的規(guī)定。按國家標準規(guī)定，進行工頻交流耐壓試驗時，在絕緣上施加工頻試驗電壓后，要求持續(xù)1min，這個時間一是保證全面觀察被試品的情況，同時也能使設(shè)備隱藏的絕緣缺陷來得及暴露出來。該時間也不宜太長，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。運行經(jīng)驗表明，凡經(jīng)受住1min工頻耐壓試驗的電氣設(shè)備，一般都能保證安全運行。

1.1 工頻耐壓試驗

對電氣設(shè)備進行工頻耐壓試驗時，常利用工頻試驗變壓器來獲得工頻高電壓，其接線如圖6-1所示。

在工頻耐壓試驗下，通常被試品都呈電容性負載，試驗時應(yīng)利用調(diào)壓器將電壓從零開始逐漸升高。這是因為，如果在工頻試驗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；如果在試驗過程中突然將電源切斷，這相當于切除空載變壓器，當試品電容較小時也將引起過電壓。試驗時如果被試品突然擊穿或放電，工頻試驗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變壓器間或?qū)娱g絕緣上引起過電壓。為此，在工頻試驗變壓器高壓出線端串聯(lián)一個保護電阻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)有的保護作用；阻值太大會在正常工作時由于負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變壓器額定電流的1～4倍來選擇，通常取0.1Ω/V。另外，保護電阻還應(yīng)有足夠的熱容量和足夠的長度，以保證當被試品擊穿時不會發(fā)生沿面閃絡(luò)。

1.2試驗變壓器的結(jié)構(gòu)形式及容量

高壓試驗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 以下的試驗變壓器中。圖 6-2 為一雙套管試驗變壓器的結(jié)構(gòu)示意，高壓繞組分成兩部分繞在鐵心上，中點與鐵心相連，兩端點各經(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以上串級試驗變壓器所構(gòu)成的交流高電壓試驗裝備。

絕緣殼式試驗變壓器是以絕緣殼(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。

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)及所加的試驗電壓值時，便可計算出試驗電流及試驗所需的變壓器容量，即

式中：U為試驗電壓(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

當單臺試驗變壓器的電壓超過500kV時，制造成本隨電壓的上升而迅速增加，同時在機械結(jié)構(gòu)和絕緣設(shè)計上都有很大困難，此外運輸與安裝亦有困難。所以，目前單臺試驗變壓器的額定電壓很少超過750kV。需要1000kV以上的電壓時，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，這是因為T2除了要直接供給負荷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，每級試驗變壓器的裝置容量是不相同的。如上例所述，當串級數(shù)為3時，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，試驗容量P_SZ與裝置總?cè)萘?/span>P_SZ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試驗變壓器的調(diào)壓裝置

供給交流高壓試驗變壓器電源的調(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)電機組。

白耦式調(diào)壓器調(diào)壓的特點為調(diào)壓范圍廣、功率損耗小、漏抗小，對波形的畸變少，體積小，價格低廉。當試驗變壓器的功率不大時(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。但當試驗變壓器的功率較大時，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，試驗時有可能出現(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格、額定電壓為100kV及以上的試驗變壓器上。

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，且價格較貴，故一般很少采用。

電動一發(fā)電機組調(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，可用于大容量試驗變壓器的調(diào)壓。如果采用直流電動機作為原動機，則還可以調(diào)節(jié)試驗電壓的頻率。但這種調(diào)壓方式所需的投資及運行費用很大，運行和管理的技術(shù)水平也要求較高，故這種調(diào)壓方式只適宜對試驗要求很嚴格的大型試驗基地應(yīng)用。