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(jìn)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(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.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(jìn)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(jìn)行，只有經(jīng)過非破壞性試驗合格后，才允許進(jìn)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(jìn)行工頻耐壓試驗。

在工頻耐壓試驗中，如何選擇恰當(dāng)?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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，進(jìn)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(jìn)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(fù)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(dāng)于切除空載變壓器，當(dāng)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(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(dāng)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(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(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。

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(dāng)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(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，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(dāng)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(dāng)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(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(yán)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(yán)格的大型試驗基地應(yīng)用。