高电压技术实验教学 高压教研室

实验一 绝缘电阻和泄漏电流的测量 测量绝缘电阻与吸收比的工作原理 测量绝缘电阻与吸收比的方法 泄漏电流的测量

1.测量绝缘电阻与吸收比的工作原理 双层介质模型的电流－时间特性 双层介质等值电路图 吸收和泄漏电流及绝缘电阻的变化曲线

在工程应用上，把介质处在吸收过程时的U/i也称为绝缘电阻R 吸收和泄漏电流及绝缘电阻的变化曲线

定义吸收比K： 加压60秒时的绝缘电阻与15秒时绝缘绝缘电阻之比值 定义极化指数P： 为加压10分钟时的绝缘电阻与1分钟时电阻之比值

绝缘状态的判定： 若绝缘内部有集中性导电通道，或绝缘严重受潮，则电阻R1 、R2会显著降低，泄漏电流大大增加，时间常数τ大为减小，吸收电流迅速衰减。即使绝缘部分受潮，只要R1与R2中的一个数值降低，τ值也会大为减小，吸收电流仍会迅速衰减，仍可造成吸收比K（及极化指数P，下同）的下降。当K＝1或接近于1，则设备基本丧失绝缘能力。 不同绝缘状态下的绝缘电阻的变化曲线

2.测量绝缘电阻与吸收比的方法 兆欧表的原理结构图 摇表：带有手摇直流发电机的兆欧表，俗称摇表 测量仪表：兆欧表 摇表：带有手摇直流发电机的兆欧表，俗称摇表 晶体管兆欧表：采用电池供电，晶体管振荡器产生交变电压，经变压器升压及倍压整流后输出直流电压 兆欧表的电压：500、1000、2500、5000V等 兆欧表选择：根据设备电压等级的不同，选用不同电压的兆欧表。例：额定电压1kV及以下者使用1000V兆欧表；1kV以上者使用2500V兆欧表 兆欧表的原理结构图

例：用兆欧表测量电缆绝缘电阻 用兆欧表测电缆绝缘电阻的接线图 1－铅铠外皮 2－绝缘 3－导芯

测量绝缘电阻能发现的缺陷： 测量绝缘电阻不能发现的缺陷： 总体绝缘质量欠佳 绝缘受潮 两极间有贯穿性的导电通道 绝缘表面情况不良 绝缘中的局部缺陷 绝缘的老化

测量绝缘电阻注意事项： 试验前后将试品接地放电 高压测试连线架空 测吸收比和极化指数时，应待电源电压稳定后再接入试品 防止试品向兆欧表反向放电 绕组的影响 绝缘电阻与温度的关系

3.泄漏电流的测量 微安表直读法（两种接法） 测量电力变压器主绝缘泄漏电流的接线 T1――调压器； T2――高压试验变压器； D――高压硅堆 R――保护电阻； C――滤波电容； T――被试变压器

直流电源的要求： 注意事项： 输出电压（幅值、极性） 输出电流 电源保护（保护电阻，放电管、并联电容、旁路开关） 与测绝缘电阻相同 电压保持时间1分钟（待电容电流和吸收电流充分衰减），泄漏电流稳定

试验特点： 所加直流电压较高，可以发现一些兆欧表不能发现的 缺陷 直流电压逐渐升高，可观察电流与电压关系的线性度 线性刻度，能精确读取

实验二 介质损耗角正切的测量 西林电桥的基本原理 存在外界电磁场干扰时的测量 测试功效 注意事项

测试无线电材料：常采用高频施压法，所加的电压不高 电工界：最常用的是西林电桥法 在线监测：采用微机对tgδ进行测量

1.西林电桥的基本原理 西林电桥： 高压臂：代表试品的Z1；无损耗的标准电容CN，它以 阻抗Z2作为代表。 低压臂：处在桥箱体内的可调无感电阻R3，以Z3来代表；无感电阻R4和可调电容C4的并联，以Z4来代表 保护：放电管P 电桥平衡：检流计G检零 屏蔽：消除杂散电容的影响

电桥的平衡条件： Z1/Z3 = Z2/Z4 串联等值回路 tgδ=ωR4 C4 Cx = R4CN/R3 并联等值回路 Cx = R4CN/[R3 (1+tg2δ)] Cx：因为tg2 极小，故两种等值电路的Cx相等 西林电桥的基本回路

屏蔽： 杂散电容：高压引线与低压 臂之间有电场的影响，可看 作其间有杂散电容Cs。由于 低压臂的电位很低，Cx和CN 的电容量很小，如CN一般只 有50100pF，杂散电容Cs的 引入，会产生测量误差。若 附近另有高压源，其间的杂 散电容Cs1会引入干扰电流iS， 也会造成测量误差 需要屏蔽，消除杂散电容的影响 西林电桥的基本回路

2.存在外界电磁场干扰时的测量 现场试品：难以实现屏蔽，干扰较严重 两次测量法：第一次测得tg1和Cx，然后倒换试验变压器原边电源线的两头(试验电压U的相位转180)，测得第二次的数值tg2和Cx，可用下式计算得准确的tg和Cx值：

磁场干扰时介损的测量 检流计正反接抗磁场干扰的原理：设无磁干扰时，两个测量臂的数值分别为R3和C4；设存在磁干扰时，两个测量臂的数值分别为(R3+R3)和(C4+C4)；把检流计和电桥两臂相接的两端倒换一下，两个测量臂的数值将分别为 (R3－R3)和(C4－  C4) 当检流计正接时测得：  当检流计反接时测得： 因无磁场干扰时：  故可得：

测试功效 有效 受潮 穿透性导电通道 气泡电离、绝缘分层、脱壳 绝缘老化劣化 绝缘油脏污、劣化 无效 局部损坏 小部分绝缘的老化劣化 个别绝缘弱点

注意事项 分部测试 与温度的关系 与试验电压的关系 护环和屏蔽

实验三 工频高压试验 交流耐压：是交流设备的基本耐压方式。适用于≤220kV以下的电力设备。 以变压器为例，如图所示

1.工频高压的产生 工频高压试验变压器 特点 外形结构

2.工频高压的测量 测量球隙 稍不均匀-Ub偏差小于3% 静电电压表 0-1MHz，量程小于200kV 分压器配用低压仪表 电容分压，注意杂散电容影响，措施-屏蔽 高压电容器配用整流装置 工频高压的测量

3.杂散参数的影响 工频分压器测压电路（杂散参数的影响）

实验四 直流高压试验 在被试品的电容量很大的场合，用工频交流高电压进行绝缘试验时会出现很大的电容电流，这就要求工频高压试验装置具有很大的容量，这时常用直流高电压试验来代替工频高电压试验。 工频高电压-整流器-直流高压，倍压整流-直流高压串级装置-更高直流电压。

~ V1 V3 T C1 C2 C3 V2 (a) (c) (b) 几种倍压整流回路 (a) 经整流器V1向电容器C1充电，负半波则经V2向C2充电，最后C1和C2上的电压均达到Um，在输出端得到2Um的直流高压。 (b) 负半波期间经V1向C1充电，而正半波期间电源与C1串联起来经V2向C2充电，C2上也可得2Um的直流高压。 (c) 由(b)演变来的，可以得到3Um的直流高压。

串级直流高压发生器 利用 (b)中的倍压整流电路为基本单元，多级串联起来即可组成一台串级直流高压发生器。 C 输出 ~ 串级直流高压发生器原理图 利用 (b)中的倍压整流电路为基本单元，多级串联起来即可组成一台串级直流高压发生器。 理想情况可获得空载输出电压等于2nUm(n为级数)

实验五 冲击高压试验 冲击电压波形 冲击电压发生器原理 冲击电压发生器结构 冲击电压测量

雷电冲击高压试验 国家标准规定额定电压≥220kV，容量≥120MVA的变压器出厂时应进行本项试验。 雷电冲击耐压考验电力设备承受雷电过电压的能 力。只在制造厂进行本项试验，因为试验会造成绝缘 的积累效应，所以在规定的试验电压下只施加3次冲击。 国家标准规定额定电压≥220kV，容量≥120MVA的变压器出厂时应进行本项试验。

操作冲击高压试验 ≥330kV电力设备的出厂试验应进行本项试验。在 电力系统现场进行各个电压等级变压器的耐压试验时， 可采用操作冲击感应耐压方式来取代工频耐压试验。 由于利用被试变压器自身的电磁感应作用来升高电压， 所以冲击电源装置电压较低，装备比较简单。而且试 验本身不会在绝缘中产生残留性损伤。

1.冲击电压波形 a. 雷电冲击电压波 国标规定：

b. 操作冲击电压波 国标规定：

冲击电压的一般表达式： u2= U1[exp（-t/τ1）- exp（-t/τ2）] 时间常数：τ1和τ2 1.2/50μs的雷电波：τ1＞＞τ2 u2由两个指数分量相加构成 波前时间Tf由较小的时间常数τ2决定； 半峰值时间Tt由相对大得多的时间常数τ1决定

波头的形成： 波尾的形成： 放电电阻Rt→∞，球隙g0放电后，电压u2上升。 Tf=3.24RfC1C2/（C1＋C2） 因C1＞＞C2，Tf≈3.24RfC2 波尾的形成： 电压u2到达峰值U2m后，电容C1和C2一起经过电阻Rt放电。因一般C1＞＞C2，放电快慢主要决定于C1 Tt＝0.69Rt(C1＋C2)≈0.69RtC1 波前 波尾 C2上电压u2的波形

2.冲击电压发生器的基本原理 冲击电压发生器概念：冲击电压发生器由一组并联的储能高压电容器，自直流高压源充电几十秒钟后，通过铜球突然经电阻串联放电，在试品上形成陡峭上升前沿的冲击电压波形。冲击波持续时间以微秒计，电压峰值一般为几十kV至几MV 发明人：产生较高电压的冲击发生器多级回路，首先由德国人E.马克思（E.Marx）提出，为此他于1923年获得专利，被称为马克思回路

a.单级冲击电压发生器回路 回路1 回路2 由于受到硅堆和电容器额定电压的限制，单级冲击电压发生器的最高电压不超过200~300kV。 正极性冲击电压 回路2 负极性冲击电压 由于受到硅堆和电容器额定电压的限制，单级冲击电压发生器的最高电压不超过200~300kV。

b.多级冲击电压发生器回路 T：供电高压变压器； D：整流用高压硅堆； r：保护电阻； R：充电电阻； rd：每级的阻尼电阻； C：每级的主电容； Cs：每级相应点的对地杂散电容； g1：点火球隙； g2～g4：中间球隙； g0：隔离球隙；

“电容器并联充电，而后串联放电” 电阻R的连接与隔离作用：在充电时起电路的连接作用；放电时则起隔离作用 电容并联串联转换方法：诸电容由并联变成串联是靠一组球隙分别处于绝缘和放电来达到

杂散电容与同步：实际上因杂散电容Cs是很小的，所以各中间球隙在放电前所作用到的过电压时间非常短促。为使诸球隙易于同步放电，在采用简单球隙的条件下，它们应排列成相互能够放电（紫外线）照射的状态。 阻尼电阻：为了防止杂散电感和对地分布的杂散电容引起高频振荡，电路中分布放置了阻尼电阻rd，一般每级为5Ω－25Ω。若级数为n，阻尼电阻的串联总值nrd称作为Rd。Rd也起着调节波前时间的作用，但在放电时它与Rt会造成分压，使输出的电压有所降低。

发生器电压效率 ŋ＝[C1/(C1＋C2)][Rt/(Rd＋Rt)] 放电时基本回路的等值回路 这意味着输出电压u2的峰值U2m低于电容C1上的初始充电压U1。它是由于C1与C2之间的分压和Rt与Rd之间的分压造成的

c.高效冲击电压发生器回路 冲击电压发生器高效回路接线 rf：每级的波前电阻，一般约几十欧； rt：每级的放电电阻，通常约几百欧；

等值电路 冲击电压发生器回路接线

3.冲击电压发生器结构

4.冲击电压的测量 球隙测电压峰值 分压器配用示波器、峰值电压表、数字记录仪等 分压器类型：电阻型、电容型、阻容并联型、阻容串联型