高电压试验与测量技术

为了检验电气设备的绝缘强度，保证其不仅能在正常的工作电压下安全可靠的运行，而且具备耐受一定大小的各种过电压的能力，需要使用交流高电压、直流高电压、冲击高电压和冲击大电流等各种形式的高电压和大电流对电气设备的绝缘进行耐受试验。绝缘耐压试验的结果与使用的电压、电流波形有密切关系，因此应尽可能将所产生的试验电压和电流波形中的不利成分限制在容许范围以内，如交流高电压中的高次谐波、直流电压中的脉动分量、冲击高电压与冲击大电流中的振荡分量等。

除了要产生高电压和大电流，还要准确测量这些电压和电流大小及波形。由于一般的测量仪表受绝缘或发热条件的限制，往往不能直接用于测量高电压和大电流，而要与能耐高电压或能通过大电流的转换装置配合才能使用。这类转换装置在承受高电压或通过大电流时.能按一定比例输出一个减小的低电压或小电流信号，供低压仪表进行测量。根据仪表的读数和比例系数，即可确定被测高电压或大电流之值。

根据目前高电压和大电流测量技术能达到的水平，我国国家标准和国际电工委员会的推荐标准都规定：对于高电压和冲击大电流的测量，除某些特殊情况外，其误差应在土3%以内。在高电压测量中要达到这个要求并不是轻而易举的，因此必须对测量系统的每个环节的误差加以控制，所用的低压指示仪表的准确度至少为0.5级。

本章介绍产生交流高电压、直流高电压、冲击高电压和冲击大电流四类试验设备，并按不同的测试对象讲述相应的测试方法。

1 工频交流高电压试验

工频交流高电压试验是检验电气设备绝缘强度有效和最直接的方法。它可用来确定电气设备绝缘的耐受水平，判断电气设备能否继续运行，是避免在运行中发生绝缘故障的重要手段。因此在进行工频耐压试验时，对电气设备绝缘施加比工作电压高得多的试验电压，这些试验电压反映了电气设备的绝缘水平。耐压试验能够有效地发现导致绝缘强度降低的各种缺陷。为避免试验时损坏设备，工频耐压试验必须在一系列非破坏性试验之后进行，只有经过非破坏性试验合格后，才允许进行工频耐压试验。

对于220kV及以下的电气设备，一般用工频耐压试验来考验其耐受工作电压和操作过电压的能力，用全波雷电冲击电压试验来考验其耐受雷电过电压的能力。但必须指出，确定这类设备的工频试验电压时，需同时考虑内部过电压和雷电过电压的作用。由于工频耐压试验比较简单，已被列为大部分电气设备的出厂试验；在交接和绝缘预防性试验中也都需要进行工频耐压试验。

在工频耐压试验中，如何选择恰当的试验电压值是一个重要的问题。若试验电压过低，无法起到检测设备绝缘耐受能力的作用；若试验电压选择过高，则在试验时发生击穿的可能性以及产生的累积效应都将增加，会对设备绝缘造成一定损伤，影响其正常运行，一般要综合考虑运行中绝缘的老化及累积效应和过电压的大小，对不同设备需加以区别对待，这主要由运行经验来决定。我国有关国家标准以及DL/T 596-1936《电力设备预防性试验规程》中，对各类电气设备的试验电压都有明确的规定。按国家标准规定，进行工频交流耐压试验时，在绝缘上施加工频试验电压后，要求持续1min，这个时间一是保证全面观察被试品的情况，同时也能使设备隐藏的绝缘缺陷来得及暴露出来。该时间也不宜太长，以免引起不应有的绝缘损伤，使本来合格的绝缘发生热击穿。运行经验表明，凡经受住1min工频耐压试验的电气设备，一般都能保证安全运行。

1.1 工频耐压试验

对电气设备进行工频耐压试验时，常利用工频试验变压器来获得工频高电压，其接线如图6-1所示。

在工频耐压试验下，通常被试品都呈电容性负载，试验时应利用调压器将电压从零开始逐渐升高。这是因为，如果在工频试验变压器一次绕组上电压不是由零逐渐升高，而是突然施加，则由于励磁涌流会在被试品上产生过电压；如果在试验过程中突然将电源切断，这相当于切除空载变压器，当试品电容较小时也将引起过电压。试验时如果被试品突然击穿或放电，工频试验变压器不仅出于短路会产生过电流，而且还将由于绕组内部的电磁振荡在工频试验变压器间或层间绝缘上引起过电压。为此，在工频试验变压器高压出线端串联一个保护电阻r，其作用一是限制短路电流，二是阻尼放电回路的振荡过程。保护电阻r的数值不宜太大或太小，阻值太小短路电流会过大，起不到应有的保护作用；阻值太大会在正常工作时由于负载电流而有较大的电压降和功率损耗，从而影响加在被试品上的电压值。r的数值一般可按将回路放电电流限制到工频试验变压器额定电流的1～4倍来选择，通常取0.1Ω/V。另外，保护电阻还应有足够的热容量和足够的长度，以保证当被试品击穿时不会发生沿面闪络。

1.2试验变压器的结构形式及容量

高压试验变压器大多采用油浸式变压器，这种变压器有金属壳和绝缘壳(筒)两类。金属壳变压器又可分为单套管和双套管两种。单套管试验变压器的高压绕组一端可与外壳直接相连，但为了测量上的方便，常将此端经一个几干伏的小套管引到外面再与外壳一起接地，如有必要可经过测量仪表后再与外壳一起接地。这种结构多用于300kV 以下的试验变压器中。图 6-2 为一双套管试验变压器的结构示意，高压绕组分成两部分绕在铁心上，中点与铁心相连，两端点各经过一只套管引出，X端接地。因此，高压绕组和套管对铁心、外壳的绝缘只需按全电压的一半来考虑，变压器外壳对地的绝缘也按全电压的一半来考虑。这种结构大大减轻了变压器内绝缘的负担，从而大大降低绝缘的成本和制造难度，特别适用于1000～1500kV以上串级试验变压器所构成的交流高电压试验装备。

绝缘壳式试验变压器是以绝缘壳(通常为环氧玻璃布筒或瓷套)来作为容器，同时又用它作为外绝缘，以省去高压引出套管。其铁心和绕组与双套管金属壳变压器相同，只是铁心的两柱常常是上下排列的(也有左右排列的)。铁心需要用绝缘支撑起来，高压绕组的高压端A从绝缘壳上端穿出，与金属上盖连在一起，接地端X以及低压绕组两端则从绝缘壳下端的适当位置引出。这种结构体积小、质量轻、成本也低，有显著的优点。

由于被试品大多为电容性，已知被试品的电容量(参见表6-1)及所加的试验电压值时，便可计算出试验电流及试验所需的变压器容量，即

式中：U为试验电压(有效值)，kV；C为试品电容量，pF；f为电源频率，Hz。

表 6-1    常见试品的电容量

当单台试验变压器的电压超过500kV时，制造成本随电压的上升而迅速增加，同时在机械结构和绝缘设计上都有很大困难，此外运输与安装亦有困难。所以，目前单台试验变压器的额定电压很少超过750kV。需要1000kV以上的电压时，常采用几台变压器串接的方法，即将几台变压器高压绕组的电压相叠加，从而使单台变压器的绝缘结构大为简化。

图6-3所示为一种常用的三级串级试验变压器的连接方式。图中后一级的变压器励磁电流是由前一级的变压器来供给。设该装置输出的额定试验容量为3UI，则最后一级变压器T3的高压绕组额定电压为U，额定电流为I，装置的额定容量为UI。中间一级变压器T2的装置额定容量为2UI，这是因为T2除了要直接供给负荷Ul的容量外，还得供给最后一级变压器T3的励磁容量U1。同理，最前面一台变压器T1应具有的装置额定容量为3U1。所以，每级试验变压器的装置容量是不相同的。如上例所述，当串级数为3时，则串级变压器的输出额定总容量为P_ST=3UI，而整套设备的装置总容量应为各变压器装置容量之和，即

所以，试验容量P_SZ与装置总容量P_SZ之比为1/2，

由图6-3还可以看出，T2和T3的外壳对地电位分别为U和2U，因此二者应分别用绝缘水平为U和2U的支撑绝缘子或瓷套将其支撑起来，保持对地绝缘。

1.3试验变压器的调压装置

供给交流高压试验变压器电源的调压装置有自耦式调压器，移卷式调压器，感应式调压器和电动一发电机组。

白耦式调压器调压的特点为调压范围广、功率损耗小、漏抗小，对波形的畸变少，体积小，价格低廉。当试验变压器的功率不大时(单相不超过10kVA)，这是一种被普遍应用的很好的调压方式。但当试验变压器的功率较大时，由于调压器滑动触头的发热、部分线匝被短路等所引起的问题较严重，这种调压方式就不适用..

移卷式调压器不存在滑动触头及直接短路线的问题，故容量可做得很大，且可以平滑无级调压。但因移卷式调压器的漏抗较大，且随调压过程而变，这样会使空载励磁电流发生变化，试验时有可能出现电压谐振现象，出现过电压。这种调压方式被广泛地应用在对波形的要求不十分严格、额定电压为100kV及以上的试验变压器上。

特制的单相感应式调压器性能与移卷式调压器相似，但对波形的畸变较大，本身的感抗也较大，且价格较贵，故一般很少采用。

电动一发电机组调压方式能得到很好的正弦交流电压波形和均匀的电压调节，且不受电网电压质量的影响，可用于大容量试验变压器的调压。如果采用直流电动机作为原动机，则还可以调节试验电压的频率。但这种调压方式所需的投资及运行费用很大，运行和管理的技术水平也要求较高，故这种调压方式只适宜对试验要求很严格的大型试验基地应用。