交流高电压击穿试验设备中高电压的产生

核心概念:

试验变压器,串级试验变压器,容性试品电压的升高,高压谐振试验设备,倍压直流和串级直流,纹波因数,冲击电压发生器,并联充电与串联放电,波前电阻与放电电阻,冲击电流发生器

交流高电压的产生
概述

1.试验变压器的用途
交流高电压试验设备主要是指高电压试验变压器,此外本章中也介绍高电压串联谐振试验设备。试验变压器的主要用途有以下几点:
(1)产生试验用的工频电压;
(2)作为直流、冲击电压发生器电源;
(3)产生操作冲击电压。
电力系统中的电气设备,其绝缘不仅经常受到工作电压的作用,而且还会受到诸如大气过电压和内部过电压的侵袭。高电压试验变压器的作用在于产生工频高电压,使之作用于被试电气设备的绝缘上,以考察被测试电气设备在长时间的工作电压及瞬时的内过电压下是否能可靠工作。另外,它也是试验研究高压输电线路的气体绝缘间隙、电晕损耗、静电感应、长串绝缘子的闪络电压、电力设备内部绝缘中的局部放电以及带电作业等项目的必需的高压电源设备。近年来,由于超高电压及特高电压输电的发展,必须研究内绝缘或外绝缘在操作波作用下的击穿规律及击穿数值。利用高压试验变压器还可以产生“长波前"类型的操作冲击波。因此工频试验变压器除了固有的产生工频试验电压,以及作为直流高压和冲击高压设备的电源变压器的功用外,还可以用来产生操作冲击波试验电压。所以,工频试验变压器是高电压实验室内主要设备之一,由于它的电压值需要满足不同电压等级的耐压试验甚至要达到操作冲击电压值的要求,故试验变压器的工频输出电压将大大超过电力变压器的额定电压值,常达几百千伏或几千千伏的数值。目前我国和世界上多数工业发达国家都具有2250kV的试验变压器，个别国家试验变压器的电压已达到3000kV。

2．试验变压器与电力变压器的差异

试验变压器在原理上与电力变压器并无区别，只是前者电压较高，变比较大。由于电压值高，所以要采用较厚的绝缘及较宽的间隙距离，因此试验变压器的漏磁通较大，短路电抗值也较大，而电压高的串级试验变压器的总短路电抗值则更大。在大的电容负载下，试验变压器一、二次侧的电压关系与线圈匝数比有较大差异，因此试验变压器常常有特殊的测量电压用的线圈（在后续章节将具体介绍其原理）。当变压器的额定电压升高时，它的体积和质量的增加趋势超过按额定电压的三次方（U3）的上升速度。为了限制单台试验变压器的体积和质量，有必要在接线上和结构上采取一些特殊措施，例如目前采用的串级装置等。这样可使试验变压器在某些情况下具有特殊形式。

试验变压器的运行条件与电力变压器的不同，例如：
（1）试验变压器在大多数情况下，工作在电容性负荷下；而电力变压器一般工作在电感性负荷下。
（2）试验变压器所需试验功率不大，所以变压器的容量不是很大；而电力变压器的容量都很大。
（3）试验变压器在工作时，经常要放电；电力变压器在正常运行时，发生短路事故的机会不多，而且即使发生，继电保护装置也会立即将电源断开。
（4）电力变压器在运行中可能受到大气过电压及操作过电压的侵袭；而试验变压器并不受到大气过电压的作用。但当试品放电时，沿试验变压器绕组的电压分布可能十分不均匀。
（5）试验变压器工作时间短，在额定电压下满载运行的时间更短。比如进行电气设备的耐压试验时常常用的是1min工频耐压。而电力变压器则几乎常年在额定电压下满载运行。
（6）由于上述原因，试验变压器工作温度低，而电力变压器温升较高。也因此电力变压器都带有散热管、风冷甚至强迫油循环冷却装置。而试验变压器则没有各种附加的散热装置，或只有简单的散热装置。
3．试验变压器的安全系数
上述情况表明，试验变压器在运行条件方面比电力变压器有利，而在重要性方面则不如电力变压器，所以设计时采用较小的安全系数。例如50～250kV试验变压器本身的试验电压比额定电压仅高25kV；更高电压（≥300kV）的试验变压器的试验电压比额定电压仅高10％。例如500kV试验变压器的5min 100 Hz自感应试验电压为550kV；国产YDC-1500／1500（额定电压为1500kV，额定容量为1500kV·A）二级串级试验变压器，单台750kV变压器的5min 100 Hz自感应试验电压为额定电压的110％；两台串级时所取的感应试验电压仅为额定电压的105％。而电力变压器的试验电压常比额定电压高得多，例如220kV电力变压器的出厂1min工频试验电压为325～400kV（有效值）；330kV变压器的出厂1min工频试验电压为510kV。正因为高压试验变压器的试验电压较低，设计温升较低，故在额定功率下只能做短时运行。例如上述的（由苏联生产的）500kV试验变压器，在额定电压下只能连续工作30min，在330kV电压及330kV·A容量下才能持续运行。有的特高电压的试验变压器，在额定电压及容量下只能运行5min。
试验变压器铁芯的磁通密度应设计得较小，从而可避免较大的激磁电流在供电的调压器中产生较大的谐波，后者会使所产生的电压波形达不到“正弦波"的要求。
为了满足测量电力设备绝缘局部放电量的要求，有些特殊设计的高压试验变压器，其本身的局部放电量极小，只有几个皮库，这类试验变压器称为无晕试验变压器。
4．试验变压器的接线
高压试验变压器进行试验时的接线如图1所示。

图1工频高电压试验的基本线路
1-电源开关；2-调压器；3一电压表；
4-试验变压器；5-变压器保护电阻；6-试品；

图1中保护电阻R1的作用是防止试品放电时发生的电压截波对试验变压器绕组绝缘的损伤，同时它也起着抑制试品闪络时所造成的恢复电压的作用=。该保护电阻的数值应由变压器制造厂供给，若制造厂未供给它的数值大小，一般可按0.1Ω／V选取。个别制造厂所生产的试验变压器，允许不接保护电阻。
7-测量铜球保护电阻；8-测量铜球
5．试验电压的频率和波形
试验电压的频率和波形对各种试验有不同程度的影响。在进行交流耐压试验时，有些测量电压的仪表所测得的是电压有效值，不少电气产品的试验也只提出电压有效值的要求。但是工频放电或击穿一般取决于电压的峰值。试验波形实际上很难保证是严格的正弦波，当波形畸变时，电压峰值与有效值之比不是／2。由于波形上主要叠加了较大的三次谐波分量，峰值与有效值之比可达1.45～1.55。此时若再根据所测得有效值乘／2来求峰值，就会造成很大的误差。此外，因为有些绝缘材料的绝缘性能还与电压频率相关，所以电压频率加高或含有高次谐波的非正弦波加在有机绝缘材料上，会产生较大的介质损耗，容易使绝缘过热而造成耐压性能降低。
为此，国家标准GB／T 16927.1-2011规定试验电压一般应是频率为45～55Hz的交流电，IEC 60060-1：2010则规定为45～65Hz。按有关设备标准规定，有些特殊试验可能要求频率远低于或高于这一范围。试验电压的波形为两个半波相同的近似正弦波，且峰值和方均根（有效）值之比应为／2x（1±0.05）。必须重视试验变压器输出的电压波形是否合乎标准。
造成试验变压器输出电压畸变的最主要原因，是试验变压器铁芯磁化曲线的非线性，特别是当使用到临近饱和段时，激磁电流就含有三次谐波分量，在调压器漏感较大时，输出波形就会产生明显畸变。此外，供电电网的电压波形有时也包含谐波分量。为了减小波形畸变，试验变压器应选用优质低磁密的铁心，变压器和调压器的短路电抗都应较小，必要时可设置LC滤波装置。在波形质量要求高时，可采用电动发电机组产生可调压的正弦波电压。这也意味着进行工频耐压试验时，应当采用测量波形的表计。仅测量峰值或有效值的表计，如后面将要讲到的峰值电压表和静电电压表，只是在验证工频波形合格时，才予以应用。