評定電工設(shè)備絕緣耐受電壓能力

檢驗(yàn)和評定電工設(shè)備絕緣耐受電壓能力的一種技術(shù)手段。一切電工設(shè)備的帶電部分與接地部分之間，或與其他非等電位的帶電體之間，都需要采用絕緣結(jié)構(gòu)使它們互相隔離，以保證設(shè)備正常運(yùn)行。單一絕緣材料的介電強(qiáng)度是以沿厚度的平均擊穿電場強(qiáng)度來表示（單位是kV/cm）。電工設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu),如發(fā)電機(jī)、變壓器的絕緣等，由多種材料組合而成,結(jié)構(gòu)形狀也極為復(fù)雜。絕緣結(jié)構(gòu)任一局部范圍內(nèi)的破壞都會(huì)使整個(gè)設(shè)備喪失絕緣性能。因此，一般只能用可以耐受多高的試驗(yàn)電壓（單位為kV）來表示設(shè)備的整體絕緣能力。絕緣耐壓試驗(yàn)電壓可表明設(shè)備能耐受的電壓水平，但這并不等同于該設(shè)備所實(shí)際具有的絕緣強(qiáng)度。電力系統(tǒng)絕緣配合的具體要求就是協(xié)調(diào)和制定各種電工設(shè)備的絕緣耐壓試驗(yàn)電壓，以表明對該設(shè)備的絕緣水平要求。絕緣耐壓試驗(yàn)是一種破壞性試驗(yàn)（見絕緣試驗(yàn)），因此，對一些缺少備品或修復(fù)時(shí)間較長的運(yùn)行中關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)慎重考慮是否進(jìn)行絕緣耐壓試驗(yàn)。

電力系統(tǒng)中的各種電工設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，除承受交流的或直流的工作電壓外，還會(huì)遭受各種過電壓。這些過電壓不僅幅值高，而且波形和持續(xù)時(shí)間都與工作電壓很不相同，對絕緣的影響和可能引起絕緣擊穿的機(jī)理也不盡相同。因此，需要采用對應(yīng)的試驗(yàn)電壓進(jìn)行電工設(shè)備的耐壓試驗(yàn)。中國標(biāo)準(zhǔn)對于交流電力系統(tǒng)規(guī)定的絕緣耐壓試試驗(yàn)有：①短時(shí)（1 分鐘）工頻耐壓試驗(yàn)；②長時(shí)間工頻耐壓試驗(yàn)；③直流耐壓試驗(yàn)；④操作沖擊波耐壓試驗(yàn)；⑤雷電沖擊波耐壓試驗(yàn)。并且規(guī)定3～220kv電工設(shè)備在工頻運(yùn)行電壓、暫時(shí)過電壓和操作過電壓下的絕緣性能，一般用短時(shí)工頻耐壓試驗(yàn)予以檢驗(yàn)，可不進(jìn)行操作沖擊試驗(yàn)。對330～500kv的電工設(shè)備，需用操作沖擊試驗(yàn)檢驗(yàn)操作過電壓下的絕緣性能。長時(shí)間工頻耐壓試驗(yàn)是針對電工設(shè)備內(nèi)絕緣劣化和外絕緣污穢的情況而進(jìn)行的一種試驗(yàn)檢驗(yàn)。

絕緣耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在各個(gè)都有具體規(guī)定。中國標(biāo)準(zhǔn)(GB311.1-83)規(guī)定了3～500kv輸變電設(shè)備的基準(zhǔn)絕緣水平；3～500kv輸變電設(shè)備雷電沖擊耐受電壓，一分鐘工頻耐受電壓；以及330～500kv輸變電設(shè)備操作沖擊耐受電壓。電工設(shè)備制造部門和電力系統(tǒng)運(yùn)行部門在選擇耐壓試驗(yàn)的項(xiàng)目和試驗(yàn)電壓值時(shí)，都應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

工頻耐壓試驗(yàn)

用于檢驗(yàn)和評定電工設(shè)備絕緣耐受工頻電壓的能力。試驗(yàn)電壓應(yīng)是正弦波的，頻率應(yīng)與電力系統(tǒng)頻率相同。通常規(guī)定用一分鐘耐壓試驗(yàn)來檢驗(yàn)絕緣的短時(shí)耐壓能力，用長時(shí)間耐壓試驗(yàn)來檢驗(yàn)絕緣內(nèi)部的漸進(jìn)性劣化，如局部放電的破壞和介質(zhì)損耗及泄漏電流引起的熱破壞等。戶外電力設(shè)備的外絕緣受大氣環(huán)境因素的影響,除做表面干燥狀態(tài)下的工頻耐壓試驗(yàn)外,還要做人工模擬大氣環(huán)境（如濕、污狀態(tài)）下的耐壓試驗(yàn)。

交流正弦電壓可以用峰值或有效值來表示。峰值與有效值之比為匇。試驗(yàn)中實(shí)際施加的試驗(yàn)電壓的波形和頻率難免與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有偏差。中國標(biāo)準(zhǔn)（GB311.3-83）規(guī)定，試驗(yàn)電壓的頻率范圍應(yīng)是45～55Hz，試驗(yàn)電壓的波形應(yīng)接近正弦波，其條件為正負(fù)兩個(gè)半波應(yīng)完全一樣,其峰值和有效值之比等于±0.07。一般所謂試驗(yàn)電壓值是指有效值，就是其峰值除以。

試驗(yàn)所用電源由高壓試驗(yàn)變壓器和調(diào)壓裝置組成。試驗(yàn)變壓器的原理與一般電力變壓器的相同，它的額定輸出電壓應(yīng)滿足試驗(yàn)要求并留有余地；試驗(yàn)變壓器的輸出電壓應(yīng)足夠穩(wěn)定，不因預(yù)放電電流在電源內(nèi)阻上的壓降而使輸出電壓明顯波動(dòng)，以免測量困難，甚至影響放電過程。因此，試驗(yàn)電源要有足夠的容量，內(nèi)部阻抗應(yīng)盡可能小。一般都以在試驗(yàn)電壓下能輸出多大短路電流來規(guī)定對試驗(yàn)變壓器容量的要求。例如對于固體、液體或兩者組合的絕緣小樣品在干燥狀態(tài)下的試驗(yàn)，要求設(shè)備短路電流為0.1A;對于自恢復(fù)絕緣（絕緣子、隔離開關(guān)等）在干燥狀態(tài)下的試驗(yàn)，要求設(shè)備短路電流不小于0.1A；做外絕緣人工雨試驗(yàn),要求設(shè)備短路電流不小于0.5A；對外形尺寸較大的試品的試驗(yàn),要求設(shè)備短路電流為1A。一般說來,額定電壓較低的試驗(yàn)變壓器多采取0.1A制,即允許變壓器高壓線圈中持續(xù)流過0.1A，如50kV試驗(yàn)變壓器的容量定為5kVA,100kV試驗(yàn)變壓器容量為10kVA。額定電壓較高的試驗(yàn)變壓器,多采取1A制,即允許變壓器高壓線圈中持續(xù)流過1A,如250kV試驗(yàn)變壓器容量為250kVA，500kV試驗(yàn)變壓器容量為500kVA，因?yàn)檩^高電壓的被試設(shè)備的外形尺寸較大,設(shè)備等效電容也較大，需要試驗(yàn)電源提供更多的負(fù)荷電流。單臺試驗(yàn)變壓器的額定電壓過高，制造時(shí)會(huì)在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上引起一些困難。中國單臺試驗(yàn)變壓器的較高電壓為750kV，世界上單臺試驗(yàn)變壓器的電壓超過750kV的也很少。為了滿足超高壓和特高壓電力設(shè)備交流電壓試驗(yàn)的需要，通常用幾臺試驗(yàn)變壓器串接來獲得高電壓,如3臺750kV試驗(yàn)變壓器串接獲得2250kV試驗(yàn)電壓,這就叫做串接試驗(yàn)變壓器。變壓器串接時(shí)的內(nèi)部阻抗增加很快，大大超過幾臺阻抗的代數(shù)和,因此常把串接臺數(shù)限制在3臺。試驗(yàn)變壓器還可以并接來提高輸出電流,或接成△或Y型作三相運(yùn)行。

為了對具有大靜電電容量的試品如電容器、電纜和大容量發(fā)電機(jī)做工頻耐壓試驗(yàn)，要求電源裝置既是高電壓又是大容量。實(shí)現(xiàn)這種電源裝置會(huì)遇到困難，一些部門采用了工頻高壓串聯(lián)諧振試驗(yàn)設(shè)備（見交流高壓串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置）。

雷電沖擊耐壓試驗(yàn) 通過人工模擬雷電流波形和峰值以檢驗(yàn)電工設(shè)備絕緣耐受雷電沖擊電壓的能力。根據(jù)雷閃放電的實(shí)測結(jié)果，認(rèn)為雷電波波形是波頭長幾微秒、波尾長幾十微秒的單極性雙指數(shù)曲線。大多數(shù)雷為負(fù)極性。世界各國的標(biāo)準(zhǔn)都把標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波標(biāo)定為：視在波頭時(shí)間T1=1.2μs，又稱波頭時(shí)間；視在半波峰值時(shí)間T2=50μs，又稱波尾時(shí)間（見圖）。實(shí)際試驗(yàn)裝置產(chǎn)生的電壓峰值和波形與標(biāo)準(zhǔn)波之間的容許偏差為：峰值，±3%;波頭時(shí)間，±30%；半波峰值時(shí)間，±20%；通常把標(biāo)準(zhǔn)雷電波形表示成1.2/50μs。

雷電沖擊試驗(yàn)電壓由沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生。沖擊電壓發(fā)生器的多個(gè)電容器由并聯(lián)轉(zhuǎn)串聯(lián)是通過許多點(diǎn)火球隙實(shí)現(xiàn)的，即控制點(diǎn)火球隙使它放電時(shí)把多個(gè)電容器串聯(lián)起來。受試設(shè)備上的電壓上升速度和經(jīng)過峰值后電壓下降的快慢，可以通過電容電路中的電阻值調(diào)節(jié)。影響波頭的電阻稱為波頭電阻，影響波尾的電阻稱為波尾電阻。試驗(yàn)時(shí)，通過改變波頭電阻和波尾電阻的阻值，獲得標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓波的預(yù)定波頭時(shí)間和半波峰值時(shí)間。改變整流電源輸出電壓的極性和幅值，就可以獲得所需要的沖擊電壓波的極性和峰值。由此可以實(shí)現(xiàn)從幾十萬伏到幾百萬伏，甚至千萬伏的沖擊電壓發(fā)生器。中國自己設(shè)計(jì)安裝的沖擊電壓發(fā)生器的較高電壓為6000kV。

雷電沖擊電壓試驗(yàn)

內(nèi)容包括 4項(xiàng)。①?zèng)_擊耐電壓試驗(yàn)：通常用于非自恢復(fù)絕緣，如變壓器、電抗器等的絕緣，目的是檢驗(yàn)這些設(shè)備能否耐受絕緣等級所規(guī)定的電壓。②50%沖擊閃絡(luò)試驗(yàn)：通常以自恢復(fù)絕緣如絕緣子、空氣間隙等為對象,目的是要確定閃絡(luò)概率為50%的電壓值U。有了這個(gè)電壓值與閃絡(luò)值間的標(biāo)準(zhǔn)偏差,還可確定其他閃絡(luò)概率,如5%的閃絡(luò)電壓值, 一般把U作為耐受電壓。③擊穿試驗(yàn)：目的是確定絕緣的實(shí)際強(qiáng)度。主要在電工設(shè)備制造廠進(jìn)行。④電壓時(shí)間曲線試驗(yàn)（伏秒曲線試驗(yàn)）：電壓時(shí)間曲線是表示施加電壓到絕緣破壞（或瓷絕緣閃絡(luò)）與時(shí)間之間的關(guān)系。伏秒曲線(V-t曲線) 可為考慮變壓器等被保護(hù)設(shè)備與避雷器等保護(hù)設(shè)備間的絕緣配合提供依據(jù)。

除用雷電沖擊全波進(jìn)行試驗(yàn)外，有時(shí)對變壓器、電抗器等有繞組的電工設(shè)備，還要做截?cái)鄷r(shí)間為2～5μs的截?cái)嗖ㄔ囼?yàn)。截?cái)嗫砂l(fā)生在波頭，也可以發(fā)生在波尾。這種截?cái)嗖ǖ漠a(chǎn)生、測量以及對設(shè)備造成的損壞程度的確定等，都比較復(fù)雜而困難。雷電沖擊電壓試驗(yàn)由于過程快，幅值高，對試驗(yàn)和測量的技術(shù)要求較高，常常規(guī)定出詳盡的試驗(yàn)程序、方法和標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)參閱執(zhí)行。

操作沖擊過電壓試驗(yàn)

通過人工模擬電力系統(tǒng)操作沖擊過電壓波形，檢驗(yàn)電工設(shè)備絕緣耐受操作沖擊電壓的能力。電力系統(tǒng)中存在的操作過電壓的波形和峰值類型很多，與線路參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)。一般情況下是個(gè)衰減振蕩波，頻率從幾十赫到幾千赫，其幅值與系統(tǒng)電壓有關(guān)，通常以相電壓的若干倍來表示，高可達(dá)相電壓的3～4倍。操作沖擊波比雷電沖擊波作用時(shí)間長，對電力系統(tǒng)絕緣的影響也有所不同。 220kV及以下的電力系統(tǒng)，可近似地用短時(shí)工頻耐壓試驗(yàn)來等效地檢驗(yàn)設(shè)備絕緣在操作過電壓下的情況。 330kV及以上的超高壓、特高壓系統(tǒng)和設(shè)備，操作過電壓對絕緣的影響更大，不能再用短時(shí)工頻電壓試驗(yàn)來近似代替操作沖擊電壓試驗(yàn)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，對2m以上的空氣間隙，操作放電電壓的非線性顯著,即間隙距離加大時(shí)耐受電壓增加緩慢,甚至還低于短時(shí)工頻放電電壓。所以必須模擬操作沖擊電壓對絕緣進(jìn)行試驗(yàn)。

對于長間隙、絕緣子和設(shè)備外絕緣，模擬操作過電壓的試驗(yàn)電壓波形有兩種。①非周期性指數(shù)衰減波：與雷電沖擊波相似，只是波頭時(shí)間和半峰值時(shí)間都比雷電沖擊波長許多。國際電工委員會(huì)推薦操作沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形為250/2500μs；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)波形不能滿足研究要求時(shí)，可選用 100/2500μs和 500/2500μs。非周期性指數(shù)衰減波也可由沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生，與產(chǎn)生雷電沖擊波的原理基本相同，只是波頭電阻、波尾電阻和充電電阻都要增大許多倍。高壓實(shí)驗(yàn)室內(nèi)常用一套沖擊電壓發(fā)生器，備有兩套電阻，既供產(chǎn)生雷電沖擊電壓，又供產(chǎn)生操作沖擊電壓。按規(guī)定，所產(chǎn)生的操作沖擊電壓波形與標(biāo)準(zhǔn)波形間允許偏差為：峰值，±3%;波頭，±20%；半峰值時(shí)間，±60%。②衰減振蕩波：要求其01個(gè)半波持續(xù)時(shí)間為2000～3000μs，而02個(gè)半波的幅值大致要達(dá)到01個(gè)半波幅值的80%。衰減振蕩波是利用電容器對試驗(yàn)變壓器低壓側(cè)放電而在高壓側(cè)感應(yīng)產(chǎn)生的。此法多用在變電所現(xiàn)場做電力變壓器操作波試驗(yàn)，利用被試變壓器本身來產(chǎn)生試驗(yàn)波形，以檢驗(yàn)自身的耐壓能力。

操作沖擊過電壓試驗(yàn)的內(nèi)容包括5項(xiàng):①操作沖擊耐電壓試驗(yàn);②50%操作沖擊閃絡(luò)試驗(yàn)；③擊穿試驗(yàn);④電壓時(shí)間曲線試驗(yàn)（伏-秒曲線試驗(yàn)）;⑤操作沖擊電壓波頭曲線試驗(yàn)。前 4項(xiàng)試驗(yàn)與雷電沖擊電壓試驗(yàn)中的相應(yīng)試驗(yàn)要求相同。第 5項(xiàng)試驗(yàn)是操作沖擊放電特性所要求的，因?yàn)殚L空氣間隙在操作沖擊波作用下的放電電壓會(huì)隨沖擊波頭而改變。在某一波頭長度,如150μs時(shí)，放電電壓較低，此波頭叫做臨界波頭。臨界波頭長度隨間隙長度的增長而稍有增長。

直流耐壓試驗(yàn)--直流高壓發(fā)生器

應(yīng)用直流電源檢驗(yàn)電工設(shè)備的絕緣性能。其目的是：①確定直流高壓電工設(shè)備耐受直流電壓的能力；②由于受交流試驗(yàn)電源容量的限制，用直流高電壓代替交流高電壓對大電容交流設(shè)備進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。

直流試驗(yàn)電壓一般是由交流電源通過整流裝置產(chǎn)生，實(shí)際上是單極性的脈動(dòng)電壓。波峰處有電壓極大值U，波谷處有電壓極小值U。所謂直流試驗(yàn)電壓值，是指此脈動(dòng)電壓的算術(shù)平均值，即顯然不希望脈動(dòng)過大，因此規(guī)定直流試驗(yàn)電壓的脈動(dòng)系數(shù)S不超過3%，即直流電壓分正、負(fù)極性。不同極性對各種絕緣的作用機(jī)制有差別。試驗(yàn)中必須規(guī)定一種極性，一般采用對絕緣性能考驗(yàn)較嚴(yán)重的一種極性進(jìn)行試驗(yàn)。

通常用單級的半波或全波整流回路來產(chǎn)生直流高電壓。由于受電容器和高壓硅堆額定電壓的限制，這種回路一般能輸出200～300kV。若需要更高的直流電壓，可采用串級的方法。串級直流電壓發(fā)生器的輸出電壓可為電源變壓器峰值電壓的2n倍,n代表串接的級數(shù)。這種裝置輸出電壓的電壓降和脈動(dòng)值是串級數(shù)、負(fù)荷電流和交流電源頻率的函數(shù)。如串級數(shù)過多，電流過大，會(huì)使壓降和脈動(dòng)達(dá)到不可容許的程度。這種串級直流電壓發(fā)生裝置能輸出電壓約2000～3000kV，輸出電流僅幾十毫安。在做人工環(huán)境試驗(yàn)時(shí)的預(yù)放電電流可達(dá)幾百毫安，甚至1安,此時(shí)應(yīng)增設(shè)可控硅穩(wěn)壓裝置來提高輸出電壓的質(zhì)量，要求當(dāng)持續(xù)時(shí)間為500ms、幅值為500mA的預(yù)放電電流脈沖每秒流過一次時(shí)，引起的壓降不超過5%。

在電力系統(tǒng)設(shè)備的絕緣預(yù)防性試驗(yàn)(見絕緣試驗(yàn))中，常以直流高壓來測量電纜、電容器等的泄漏電流和絕緣電阻,同時(shí)也做絕緣耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)表明,當(dāng)頻率在0.1～50Hz范圍內(nèi)，多層介質(zhì)內(nèi)部的電壓分布基本都按電容分布,因而用0.1Hz超低頻進(jìn)行耐壓試驗(yàn)可以和工頻耐壓試驗(yàn)相當(dāng)，這樣既避免了采用大容量交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備的困難，又能反映受試設(shè)備絕緣的狀況。目前對電機(jī)端部絕緣進(jìn)行超低頻耐壓試驗(yàn)，認(rèn)為比工頻耐壓試驗(yàn)更有效。