第2篇電氣絕緣與高電壓實(shí)驗(yàn)

主講人：陳兆權(quán)博士第二篇電氣設(shè)備與高電壓實(shí)驗(yàn)安徽理工大學(xué)5.2直流高電壓實(shí)驗(yàn)

5.2.1直流高電壓的產(chǎn)生5.2.2直流工頻高電壓的丈量5.2.3絕緣的直流耐壓實(shí)驗(yàn)5.2.1直流高電壓的產(chǎn)生

一些高壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如沖擊電壓發(fā)生器和沖擊電壓電流發(fā)生器，需求直流高壓作電源。直流高電壓在其他科技領(lǐng)域也有廠泛的運(yùn)用，其中包括靜電噴漆、靜電紡織、靜電除塵、X射線發(fā)生器、等離子體加速以及原子核物理研討中都運(yùn)用直流高壓作為電源。為了獲得直流高電壓，最常用的就是變壓器和整流安裝的組合，另外還有經(jīng)過(guò)靜電方式產(chǎn)生直流高壓。1.半波整流回路運(yùn)用最廣泛的產(chǎn)生直流高壓的方法是將交流電壓經(jīng)過(guò)整流元件整流而獲得。常用的整流設(shè)備如圖5-14所示的半波整流電路〔a〕及其輸出波形〔b〕。〔a〕〔b〕圖5-14半波整流電路(a)及輸出電壓波形圖(b)整流回路的根本技術(shù)參數(shù)有三個(gè)，即輸出的額定直流電壓〔算術(shù)平均值〕Ud,相應(yīng)的額定直流電流〔平均值〕Id以及電壓脈動(dòng)系數(shù)S(紋波系數(shù))?！?〕額定平均輸出電壓Ud〔2〕額定平均輸出電流Id〔3〕電壓脈動(dòng)系數(shù)S式中表示電壓脈動(dòng)幅度。2.倍壓整流回路采用倍壓整流回路可獲得等于(2～3)Ｕm的直流電壓。如圖5-15所示，這種電路實(shí)踐上可看作兩個(gè)半波電路的疊加，因此它的參數(shù)計(jì)算可參照半波電路的計(jì)算原那么進(jìn)展。圖5-15電源變壓器兩端對(duì)地絕緣的倍壓電路3.串級(jí)直流發(fā)生器利用圖5-17(a)的倍壓整流電路作為根本單元，多級(jí)串聯(lián)起來(lái)即可組成一臺(tái)串級(jí)直流高壓發(fā)生器，如圖5-17(b)所示。圖5-17〔a〕根本倍壓整流電路圖5-17(b)兩極串級(jí)直流高壓發(fā)生器接線圖5.2.2直流工頻高電壓的丈量高壓高組法高阻可作為放大器或分壓器來(lái)運(yùn)用。采用平均值型指示儀表對(duì)紋波小的直流電壓進(jìn)展丈量時(shí)，由于雜散電容的影響可以忽略，所以不需求對(duì)丈量高阻進(jìn)展屏蔽；當(dāng)對(duì)紋波較高的直流電壓的最大值進(jìn)展丈量時(shí)，由于雜散電容的影響，會(huì)呵斥丈量誤差，可將高阻進(jìn)展屏蔽或采用阻容分壓器。2.旋轉(zhuǎn)電位計(jì)電極在電場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，由于電極間電容的變化，構(gòu)成充放電電荷，經(jīng)過(guò)丈量充放電電荷的大小，從而求得直流電壓的最大值和平均值的一種安裝。旋轉(zhuǎn)電位計(jì)的丈量精度高，不確定度在1％以內(nèi)。其構(gòu)造如圖5-18所示。圖5-18旋轉(zhuǎn)電位計(jì)3.靜電電壓表與交流電壓的丈量原理一樣，可丈量直流電壓的平均值。但是，在任務(wù)原理上，它表示的是直流電壓瞬時(shí)值平方的平均值，因此，在紋波較大的情況下，丈量值就不是直流電壓的平均值，這一點(diǎn)必需加以留意。4.規(guī)范棒一棒間隙用球間隙丈量直流電壓時(shí)，會(huì)出現(xiàn)下述所提到的放電電壓的動(dòng)搖，因此，IEC規(guī)定中，引薦運(yùn)用圖5-19所示構(gòu)造的棒一棒間隙。圖5-19直流電壓丈量用棒間隙5.規(guī)范球間隙丈量安裝以及丈量方法與丈量交流電壓時(shí)一樣。但大氣中的灰塵或纖維等會(huì)引起放電電壓的變化，就是說(shuō)長(zhǎng)時(shí)間加壓時(shí)，放電電壓能夠會(huì)變得特別低。因此，在丈量直流時(shí)，引薦采用前面所述的棒一棒間隙。用球隙丈量直流電壓時(shí)，應(yīng)在間隙的軸垂直方向維持穩(wěn)定的氣流，氣流最低為3m/s。6.紋波電壓的丈量如圖5-20所示，在電容與電阻的串聯(lián)回路上施加含有紋波電壓分量Ur的直流電壓。當(dāng)紋波電壓的頻率f時(shí)，電阻R兩端的電壓為：假設(shè)，那么UUr，可得到紋波電壓。圖5-20紋波電壓丈量5.2.3絕緣的直流耐壓實(shí)驗(yàn)直流高壓能反映設(shè)備受潮、劣化和部分缺陷等多方面的問(wèn)題。它和交流耐壓實(shí)驗(yàn)相比主要有以下一些特點(diǎn)：〔1〕實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以做得比較輕巧，適宜于現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防性實(shí)驗(yàn)的要求?！?〕在實(shí)驗(yàn)時(shí)可以同時(shí)丈量走漏電流?！?〕直流耐壓實(shí)驗(yàn)比之交流耐壓實(shí)驗(yàn)更能發(fā)現(xiàn)電機(jī)端部的絕緣缺陷。〔4〕在直流高壓下，部分放電較弱。5.3沖擊高電壓實(shí)驗(yàn)5.3.1沖擊高電壓的產(chǎn)生5.3.2沖擊高電壓的丈量5.3.3絕緣的沖擊耐壓實(shí)驗(yàn)5.3.1沖擊高電壓的產(chǎn)生

1.沖擊發(fā)生器的根本原理沖擊電壓發(fā)生器的原理圖如圖5-22所示。圖5-22沖擊電壓發(fā)生器原理圖2.根本回路規(guī)范雷電沖擊全波采用的是非周期性雙指數(shù)波。

——波尾時(shí)間常數(shù)——波前時(shí)間常數(shù)

圖5-23(a)雙指數(shù)函數(shù)沖擊電壓波波尾，波前，圖5-24(a)可獲得沖擊電壓波前的回路(b)可獲得沖擊電壓波尾的回路實(shí)踐沖擊電壓發(fā)生器采用圖5-26的回路。

圖5-26沖擊電壓發(fā)聲器常用回路

放電回路的利用系數(shù)

3.多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器能產(chǎn)生的最高電壓普通不超越200～300kV。因此采用多級(jí)疊加的方法來(lái)產(chǎn)生波形和幅值都能滿足需求的沖擊高電壓波。

多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器原理接線圖:

圖5-27多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器的原理接線圖根本原理:并聯(lián)充電，串聯(lián)放電

圖5-28沖擊電壓發(fā)生器充電過(guò)程等值電路圖5-29沖擊電壓發(fā)生器放電過(guò)程等值電路沖擊電壓發(fā)生器的起動(dòng)方式：自起動(dòng)方式：只需將點(diǎn)火球隙F1的極間間隔調(diào)理到使其擊穿電壓等于所需的充電電壓，當(dāng)F1上的電壓上升到等于時(shí)，F(xiàn)1即自行擊穿，起動(dòng)整套安裝。方式二：使各級(jí)電容器充電到一個(gè)略低于F1擊穿電壓的程度上，處于預(yù)備動(dòng)作的形狀，然后利用點(diǎn)火安裝產(chǎn)生一點(diǎn)火脈沖，送到點(diǎn)火球隙F1中的一個(gè)輔助間隙上使之擊穿并引起F1的主間隙擊穿,起動(dòng)整套安裝。5.3.2沖擊高電壓的丈量目前最常用的丈量沖擊電壓的方法有：①分壓器-示波器；②丈量球隙；③分壓器-峰值電壓表。球隙和峰值電壓表只能丈量電壓峰值，示波器那么能記錄波序，即不僅指示峰值而且能顯示電壓隨時(shí)間的變化過(guò)程。1.分壓器與數(shù)字記錄儀〔示波器〕圖5-30沖擊電壓丈量系統(tǒng)由于可同時(shí)測(cè)定波形和峰值，所以在丈量中被廣泛運(yùn)用。由于數(shù)字記錄儀的輸入電壓普通小于數(shù)百伏，所以常和分壓器一同構(gòu)成沖擊電壓丈量系統(tǒng)來(lái)進(jìn)展丈量，如圖5-30所示。2.規(guī)范球間隙(1)多級(jí)法以預(yù)期的50%放電電壓的2～3%作為電壓級(jí)差，對(duì)被測(cè)試品分級(jí)施加沖擊電壓，每級(jí)施加電壓10次。至少要加4級(jí)電壓。要求在最低一級(jí)電壓時(shí)的放電次數(shù)近于零，而在最高一級(jí)電壓時(shí)，近于全部放電。求出每級(jí)電壓下的放電次數(shù)與施加次數(shù)之比P〔即放電頻率〕后，將其按電壓值標(biāo)于正態(tài)概率紙上，給出擬合直線P=f(U)，在此直線上對(duì)應(yīng)于概率P=0.5的電壓值即為50%放電電壓。(2)升降法估計(jì)50%放電電壓的預(yù)期值后，取Ui的2～3％為電壓增量△U，先施加沖擊電壓Ui一次，如未引起放電，那么下次施加電壓應(yīng)為Ui＋△U，如U1已引起放電，那么下次施加電壓應(yīng)為Ui一△U，以后的加壓都按下述規(guī)律：凡上次加壓如已引起放電，那么下次加壓比上次電壓低△U，凡上次加壓未引起放電。那么下次加壓比上次電壓高△U。這樣反復(fù)加壓20～40次，分別計(jì)算出各級(jí)電壓下Ui下的加壓次數(shù)ni，按下式求出50%放電電壓:(3)沖擊峰值電壓表其任務(wù)原理如圖5-33所示，沖擊電壓經(jīng)整流后對(duì)電容器充電，然后經(jīng)過(guò)高輸入阻抗的放大器，可測(cè)得充電電壓。圖5-33沖擊峰值電壓表5.3.3絕緣的沖擊耐壓實(shí)驗(yàn)電氣設(shè)備內(nèi)絕緣的雷電沖擊耐壓實(shí)驗(yàn)采用三次沖擊法，即對(duì)被測(cè)試品施加三次正極性和三次負(fù)極性雷電沖擊實(shí)驗(yàn)電壓〔1.2/50s〕對(duì)變壓器和電抗器類設(shè)備的內(nèi)絕緣，還要再進(jìn)展雷電沖擊截波〔1.2/2～5s〕耐壓實(shí)驗(yàn)，它對(duì)繞組絕緣〔特別是其縱絕緣〕的考驗(yàn)往往比雷電沖擊全波實(shí)驗(yàn)更加嚴(yán)厲。電力系統(tǒng)外絕緣的沖擊高壓實(shí)驗(yàn)通?？刹捎?5次沖擊法，即對(duì)被測(cè)試品施加正、負(fù)極性沖擊全波實(shí)驗(yàn)電壓各16次，相鄰兩次沖擊的時(shí)間間隔應(yīng)不小于1min。在每組15次沖擊的實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)擊穿或閃絡(luò)的閃數(shù)不超越2次，即可以為該外絕緣實(shí)驗(yàn)合格。內(nèi)、外絕緣的操作沖擊高壓實(shí)驗(yàn)的方法與雷電沖擊全波實(shí)驗(yàn)完全一樣。小結(jié)獲得直流高電壓的方法有半波整流回路、倍壓整流回路和串級(jí)直流發(fā)生器。6種直流工頻高電壓的丈量方法。利用直流高壓對(duì)電器設(shè)備進(jìn)展耐壓實(shí)驗(yàn)有重要的實(shí)踐意義，并隨著直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)用將會(huì)有更大的開展?！脖菊峦辍倡@得沖擊高電壓的方法有單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器和多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器。沖擊高電壓的兩種丈量方法：分壓器與數(shù)字記錄儀和規(guī)范球間隙。電氣設(shè)備內(nèi)絕緣的雷電沖擊耐壓實(shí)驗(yàn)采用三次沖擊法。電力系統(tǒng)外絕緣的沖擊高壓實(shí)驗(yàn)通常可采用15次沖擊法。第六章電氣絕緣在線檢測(cè)離線時(shí)電氣絕緣預(yù)防性實(shí)驗(yàn)和高電壓實(shí)驗(yàn)具有如下缺陷：一、需求停電進(jìn)展，而不少重要的電力設(shè)備不能隨便地停頓運(yùn)轉(zhuǎn)；二、檢測(cè)間隔周期較長(zhǎng)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣缺點(diǎn)；三、停電后的設(shè)備形狀與運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的設(shè)備形狀不相符，影響診斷的正確性。在線檢測(cè)是在電力設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的形狀下延續(xù)或周期性檢測(cè)絕緣的情況，因此可以防止以上缺陷，另外建立一套電氣絕緣在線檢測(cè)系統(tǒng)也是實(shí)施電力設(shè)備形狀維修和建立無(wú)人值守變電站的根底。在線檢測(cè)和形狀維修帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是非常顯著的。電氣絕緣在線檢測(cè)是一門多學(xué)科交叉交融的綜合技術(shù)，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，電氣絕緣在線檢測(cè)與缺點(diǎn)診斷的技術(shù)程度不斷提高，在線檢測(cè)產(chǎn)品大量投入市場(chǎng)。

6.2.1部分放電的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)6.2.2部分放電分析與缺點(diǎn)診斷6.2部分放電在線監(jiān)測(cè)部分放電的在線檢測(cè)分為電測(cè)法和非電測(cè)法兩大類，其中電測(cè)法中的脈沖電流法是離線條件下丈量電氣設(shè)備部分放電的根本方法，也是目前在部分放電在線檢測(cè)的主要手段，其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高。電測(cè)法中的射頻丈量法等也都運(yùn)用到了在線檢測(cè)中。電測(cè)法的缺陷是由于現(xiàn)場(chǎng)存在著嚴(yán)重的電磁干擾，將大大降低檢測(cè)靈敏度和信噪比。6.2.1部分放電的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)脈沖電流法在線檢測(cè)的組成及關(guān)鍵技術(shù)：電流傳感器抗干擾技術(shù)圖6?6部分放電檢測(cè)系統(tǒng)原理框架圖電流信號(hào)i1(t)和二次側(cè)線圈兩端的感應(yīng)電壓〔即輸出信號(hào)〕e(t)的關(guān)系為：電流傳感器〔6-3〕傳感器的積分方式有兩種，分別適用于寬帶型和窄帶型傳感器。寬帶型電流傳感器即信號(hào)電壓u(t)和所檢測(cè)的電流i1(t)成線性關(guān)系〔6-6〕諧振型電流傳感器〔6-15〕干擾來(lái)源：線路或其它臨近設(shè)備的電暈放電和內(nèi)部的部分放電電力系統(tǒng)的載波通訊和高頻維護(hù)信號(hào)對(duì)檢測(cè)的干擾可控硅整流設(shè)備引起的干擾無(wú)線電廣播的干擾其他周期性干擾上述干擾能夠經(jīng)過(guò)以下三種途徑進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)：〔1〕從檢測(cè)系統(tǒng)的工頻電源進(jìn)入，故檢測(cè)系統(tǒng)的電源宜由隔離變壓器加上低通濾波器供電，以抑制這種干擾?！?〕經(jīng)過(guò)電磁耦合進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)，故檢測(cè)系統(tǒng)包括連線應(yīng)很好的屏蔽，或利用光電隔離和光纖傳輸信號(hào)，以減少干擾。〔3〕干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)，這種干擾和部分放電信號(hào)混合在一同，上述方法不能抑制這種干擾，需求采用其他的措施。抗干擾技術(shù)選擇適宜的檢測(cè)頻帶，避開現(xiàn)場(chǎng)的干擾頻帶差動(dòng)平衡系統(tǒng)：差動(dòng)平衡系統(tǒng)主要用于抑制共模干擾其他圖6－10差動(dòng)平衡系統(tǒng)原理圖6.2.2部分放電分析與缺點(diǎn)診斷部分放電信號(hào)分析是指如何從測(cè)試信號(hào)中提取有關(guān)放電的信息，普通采用數(shù)字信號(hào)處置技術(shù)，目前常用的方法主要有：時(shí)域分析頻域分析時(shí)頻結(jié)合分析人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析部分放電信號(hào)分析時(shí)域分析是最根本的數(shù)學(xué)分析方法，例如分析放電信號(hào)的幅值，幅值與時(shí)間〔或相位〕、放電次數(shù)的關(guān)系，并且在顯示設(shè)備上輸出信號(hào)的波形，為此需求根據(jù)波形的采集要求確定所需的采樣率和采集的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，并將信號(hào)完好地記錄下來(lái)。頻域分析又稱頻譜分析，是分析某些放電特征在頻域上的變化，如幅度譜、相位譜、能量譜和功率譜等，目前最常用的方法是快速傅里葉變換〔FFT〕。2.放電類型的方式識(shí)別方式識(shí)別是一種重要的診斷手段，于90年代運(yùn)用于電力設(shè)備的放電識(shí)別，目前已被廣泛運(yùn)用于部分放電在線檢測(cè)與缺點(diǎn)診斷。圖6?12方式識(shí)別過(guò)程表示圖變壓器絕緣體系中的放電類型很多，不同的放電類型對(duì)絕緣的破壞作用有很大差別，因此有必要對(duì)各種放電類型加以區(qū)分。變壓器超高頻部分放電的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方式識(shí)別是將計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的電磁信號(hào)經(jīng)放大、濾波后進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換，然后把提取