高电压技术ppt5-1.

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1、5.1工频高电压试验 5.1.1 工频高电压的产生 5.1.2 工频高电压的测量 5.1.3 绝缘的工频耐压试验 返回 高压试验变压器是高压试验室最基本的、不可 缺少的主要设备之一，它被当作电源，并且是交流 、直流和冲击电压试验设备的组成部分。高压试验 室中的工频高电压通常采用高压试验变压器或其串 级装置来产生，但对电容量较大的被试样，可采用 串联谐振回路来获得工频高电压。 5.1.1 工频高电压的产生 1. 高压试验变压器 高压试验变压器大多数为油浸式，有金属壳及绝 缘壳两类。金属壳变玉器又可分为单套管和双套管两 种。单套管变压器的高压绕组一端接地，另一端（高 压端）经高压套管引出。双套管变

2、压器高压绕组的中 点通常与外壳相连，这样每个套管所承受的只是额定 电压Un的一半，因而可以减小套管的尺寸和重最。当 高压绕组一端接地时，外壳应当按0.5Un对地绝缘起 来。 试验变压器一般作成单相的。高压绕组大多 数作成多层绕组，层间绝缘由电缆纸和绝缘材料 制成的圆筒组成。 试验变压器与电力变压器相比主要特点： 变比较大 容量较小 工作时间短 试验变压器的容量由被测试样在最不利的试验 条件下需要的电流来确定。在特殊情况下，例如对 于长电缆的试验，变压器必需的容量： Ps=U2C 式中 U 试验电压，kV； C 试样电容， F； Ps 变压器容量，VA。 变压器绕组方式： （1）圆盘形绕组如 图

3、5-1所示，输出电压 在几十千伏以下时， 绕组由几个线圈串联 组成。 图5-1圆盘形绕组 （2）圆筒形绕组结构如 图5-2所示，低压绕组内侧 与铁心相连，高压绕组同轴 地套在低压绕组的外侧，内 侧接地，外侧为高压输出。 高压绕组的电压由内侧至外 侧逐层升高，各层间采用与 线圈同轴的绝缘筒进行绝缘 ，每层线圈的匝数也随电压 的升高而减少，并且远离铁 心部分。 图5-2 圆筒形绕组 2. 试验变压器串级装置 由于受到体积和重量的限制，单个试验变压器的 额定电压不可能做得太高。当所需工频电压很高往往 采用串级线路把几台试验变压器串接起来。数台试验 变压器串级联接的办法就是将它们的高压绕组串联起 来，

4、使它们的高压侧电压叠加后得到很高的输出电压 ，而每台变压器的绝缘要求和结构可大大简化，减轻 绝缘难度，降低总价格。 图5-3 由单高压套管变压器元件组成的串级变压器示意图 图5-3所示的串级方式称为自耦式串级变压器 ，这是目前最常用的串级方式。这里高一级的变 压器的励磁电流由前面一级的变压器来供给。图 中绕组1为低压绕组，2为高压绕组，3为供给下一 级激磁用的串级激磁绕组。 虽然这时三台变压器的初级电压相同(U1=U3)， 次级电压也相同（均为U2），但它们的容量和高压 绕组结构都不同，因此不能互换位置。设该装置T3 容量为： P3=U2I2=U1I1； T2的容量： P2=U1I1=U2I2

5、+U3I3=2U2I2； T1的容量为： P1=3U2I2 所以当串联级数为3，则整套串级装置的制 作容量为: P=P1+P2+P3=6U2I2 (5-1) 串级装置的输出额定容量为 Pn=3 U2I2 (5-2) 因而装置的容量利用率为 =Pn/P=1/2 (5-3) 同理推出n级串联装置的容量利用率为 (5-4) 显然，串接台数越多，装置利用系数越低，且随 着串接数的增加，整套串接试验变压器的总漏抗值急 剧增加，因此串级试验变压器的串接数一般不超过3， 这是串级装置的固有缺点。 式中： n串级装置的级数。 3. 试验变压器的调压 试验变压器的电压必须从零调节到指定值，这 是其运行方式的特点

6、,要靠连到变压器初级绕组电 路中的调压器来进行。调压器应该满足以下基本 要求： (1)电压应该平滑地调节，在有滑动触头的调压器中 ，不应该发生火花。 (2) 调压器应在试验变压器的输入端提供从零到额 定值的电压，电压具有正弦波形且没有畸变。 (3) 调压器的容量应不小于试验变压器的容量。 调节电压最好的设备是电动发电机组，它由安 装在一个轴上的三相同步发电机和直流或交流电动 机组成，电压的调节用改变发电机的励磁来实现。 更简单和便宜的调压设备是感应调压器，它们有的 做成带移动式绕组的变压器或自耦变压器形式，有 的做成制动的带转子绕组的异步电动机形式（电位 调整器）。 感应调压器的特点是调压平稳

7、，并且没有滑动 触头。采用了各种消除高次谐波的方法，例如在制 动电机的定子和转子上安置“斜”槽，以保证被调节 的电压具有接近正弦的波形。目前，已生产出了多 种不同容量的感应调压器；但一般广泛采用试验室 类型自耦调压器来进行小容量试验设备的调压。 4. 串联谐振电路 交流高压可以通过由马达带动的发电机或电池供 电的振荡器产生，但是最常用的试验装置是由110V或 240V、50/60Hz的电源供电。固定的电源电压供给一 台可调节的调压器，调压器再把调节了的电压供给单 级升压变压器的原边。 由于原边电源电压和变压器励磁电流中的谐 波可能激发不同频率的固有振荡，从而导致变压 器付边电压波形的严重畸变和

8、增高。但是，若有 意而又有效地利用谐振效应来产生交流试验高压 ，此高压不含有不需要的其它谐波。 串联谐振电路的简化图如5-4所示。图中被测试 样如电缆用电容来代替与可动线圈电抗器串联。电 抗器的电感可以改变并与电源频率下电容负荷的阻 抗相匹配。这样构成的串联谐振电路在受到与电网 相连的调压器的激励时将产生高压。 图5-4串联谐振电路简化图 泰斯拉（Tesla）线圈是空心升压变压器。它有两个 电容器调谐的绕组，如图5-5所示。当火花间隙G1在预 定的电压值击穿时，由L1和C1组成的原边调谐电路将 闭合。产生高频衰减振荡，其频率一般在104105Hz。 图5-5泰斯拉（Tesla）线圈电路图 在原

9、边电路中的振荡电流将在副边调谐电路 L2C2中感应振荡。这样，此过程每重复一次，原边 火花间隙就闪络一次；因此，供给电路的电源可以 是交流，也可以是直流，如果原边输入几千伏的电 压，输出电压能够达到1MV。因为泰斯拉线圈输出 电压波形复杂，并且火花间隙还会辐射无线电干扰 ，所以偶尔才用于正常工频运行下的设备，一般主 要用它来做通讯系统的高频高压试验。 返回 5.1.2 工频高电压的测量 试品上工频高压的测量目前最常用的测量方法 有：用测量球隙或峰值电压表测量交流电压的峰 值，用静电电压表测量交流电压的有效值（峰值 电压表和静电电压表还常与分压器配合使用以扩 大仪表的量程）；为了观察被测电压的波

10、形，也 可从分压器低压侧将输出的被测信号送至示波器 显示波形。 在电力系统中通常使用电压互感器配合低 压仪表来测量高电压的方法，在高压实验室中 用得不多。特别在测量很高的电压时，利用电 压互感器的方法既不经济，也不方便。由于高 压放电的分散性比较大，一般对测量精度的要 求不高。按现行的国家标准和国际标准（IEC） 规定，无论是有效值或峰值，都要求误差不超 过 3 。 图5-6是几种工频高压测量方法的原理接线图，实 际测量时可采用其中的一种或几种，从变压器的初级 （P1P2端）或由附加的测量绕组（P3P4端）测得电压 值再乘上变压比，从而求得高压侧输出电压值是最便 捷的方法，但误差通常较大，常起

11、辅助指示作用。 图5-6工频高压的测量 R1 R2一保护电阻 V.D.一分压器 T.O.一试样 S.V.一静电电压 Q 一球隙 T 一高压试验变压器 1. 用球间隙测量工频高压 测量球隙由一对相同直径的金属球构成。当球 隙距离d与直径D之比不大时，球隙间的电场为稍 不均匀电场，由气体放电的理论可知，当电压加 于球隙间形成稍不均匀电场时，其击穿电压决定 于球隙间的距离。球隙就是利用这个原理来测量 各种类型高电压的。 直径更大的球隙 则使用垂直式装置 （如图5-7）。使用 时下球极接地，上 球极接高压。 图5-7 垂直球隙及应保证的尺寸 P一高压球的放电点 R一球隙保护电阻 国际电工委员会在196

12、0年制订了在标准大气条 件下标准球隙的距离与工频放电电压（峰值）的关 系表（GB311-83）。其误差不大于3%，当测量时的 大气条件不同于标准大气条件时，需要进行校正。 方法如下： U试验中大气条件下的放电电压 UH 标准大气条件下的放电电压 Kr修正系数，可由表5-1查得 U=KrUH 用球隙测量工频电压时，应取连续三次击穿电压 的平均值，相邻两次击穿间隔时间一般不小于lmin， 各次击穿电压与平均值之间的偏差不大于3%。 表5.1 空气相对密度与修正系数Kr的关系 空气相对密度0.70.750.80.850.90.951.01.051.10 修正系数ki0.720.770.810.860

13、.910.951.01.051.09 2. 峰值电压表 峰值电压表的制成原理通常有两种，一种是利用 整流电容电流测量交流高压，另一种是利用整流充电 电压测量交流高压，其原理如图5-8所示。 图5-8峰值电压表的原理 (a)利用电容电流测电压峰值的接线 (b)利用电容器C上的整流充电电压侧峰值 (1)利用整流电容电流测量交流高压 被测高压u，当其随时间变化时，流过电容C的 电流 当 为正半波时，电流经整流元件D1， 及检流计G流人地中（如图5-8(a)，若流经G的电 流平均值为Ia。则它与被测电压的峰值Um，有下述 关系 (5-6) 式中 C 电容器的电容量； 被测电压的频率。 (2) 利用电容

14、器上整流充电电压测量交流高压 如图5-8(b)所示，被测交流电压经整流管D使电容 充电至交流电压的幅值，电容电压由静电电压表或微 安表串联电阻来测量。则电压峰值 (5-7) 式中 T 交流电压的周期；Ud一电压 ； C 一电容器的电容量；R测量电阻值。 当加电压于两个特制 的电极板时，由于两电 极上分别充上异性电荷 ，电极就会受到静电机 械力的作用（如图5-9) ，测量此静电力的表计 称为静电电压表。测量 精度在 3以内。 3. 静电电压表 图5-9平板电极间的电场和静力吸力 静电电压表的典型结构如图5-10所示，保护电极的中央 设有一个可动圆板电极，可动电极在静电吸引力的作用下产生 移动，移

15、动量经放大后，由指针读出。该装置具有耗电量小、 波形和电压频率引起的误差小等优点，但由于静电力很小，摩 擦会造成测量误差。 图5-10 静电电压表 (5-8) 若有一对电极，电极间距离为l，电容为C，所加电 压瞬时值为u，则此电容的电场能量W为： 假定静电电压表的两电极接在交流电源上，当极 板作无穷小的移动 dl时，电场能量将发生变化dW，两 值必然相等，故电极所受到的作用力可表示为： (5-9) 若u按正弦函数作周期性变化。即 (5-10) 则在一个周期T内，电极所受作用力的平均值F (5-11) (5-13) 上式中U,l ,S 的单位分别为kV,cm,cm2，由（5-13）得 (5-14

16、) 对于平行极板的情况下，由于极板间为均匀电场， 则其电容 = (5-12) 可见电场作用力与电压平方成正比，所以它 的偏转方向与被测电压的极性无关。因此，静电 电压表既能测量直流又能测量交流电压。所测为 电压有效值。 静电电压表的内阻很高，因此在测量时几乎 不会改变被测试样上的电压；这是它的突出优点 。对于电压等级不太高的试验，使用它能很方便 地在高压端直接测出电压。目前我国已研制成功 测量范围为0500kV的一系列静电电压表。 4. 分压器 在被测电压高于200kV时，直接用指示仪表测量 高压比较困难，通常采用电容分压器配用低压仪表测 量高压。其原理如图5-11。 图5-11 交流电容分压器 C1 、C2分别为高、低压臂。在工频电压作用下，流 过电容C1和C2的电流均为 ，两电容上的压降分别为 和 ，这里