文章目录
- [第5章 电气绝缘与高电压试验------课程总结与拓展](#第5章 电气绝缘与高电压试验——课程总结与拓展)
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- 一、总论：为什么需要高电压试验
- 二、工频高电压试验
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- [2.1 工频高电压的产生](#2.1 工频高电压的产生)
- [2.2 工频高电压的测量](#2.2 工频高电压的测量)
- [2.3 绝缘的工频耐压试验](#2.3 绝缘的工频耐压试验)
- 三、直流高电压试验
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- [3.1 直流高电压的产生](#3.1 直流高电压的产生)
- [3.2 直流高电压的测量](#3.2 直流高电压的测量)
- [3.3 绝缘的直流耐压试验](#3.3 绝缘的直流耐压试验)
- 四、冲击高电压试验
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- [4.1 冲击高电压的产生](#4.1 冲击高电压的产生)
- [4.2 冲击高电压的测量](#4.2 冲击高电压的测量)
- [4.3 绝缘的冲击耐压试验](#4.3 绝缘的冲击耐压试验)
- 五、三类耐压试验的工程定位与互补关系
- 六、本章核心公式与数值速查
第5章 电气绝缘与高电压试验------课程总结与拓展
本章逻辑主线 ：绝缘在运行中承受工作电压与过电压 → 用三类耐压试验检验绝缘强度：工频耐压 （模拟长期工作电压及等效过电压）、直流耐压 （侧重受潮与局部缺陷，尤适电缆和电机端部）、冲击耐压（模拟雷电与操作过电压）。每类试验均按"产生---测量---试验实施"展开。
一、总论：为什么需要高电压试验
电气设备绝缘在运行中除长期受工作电压（工频或直流）作用外，还承受雷电过电压和操作过电压。为检验绝缘强度，出厂、安装调试或大修后需进行过电压试验。高压试验室产生试验过电压，检验设备耐受过电压的能力，分为工频耐压、直流耐压和冲击耐压 三类。
工频耐压试验 是检验绝缘强度最有效、最直接的方法，可确定设备绝缘耐受水平、判断能否继续运行。直流耐压 能反映受潮、劣化和局部缺陷，设备轻巧、可同步测泄漏电流，且比交流更能发现电机端部缺陷。冲击电压试验 用于研究设备在雷电和操作过电压下的绝缘性能，冲击电压发生器是高压实验室的基本设备之一。
二、工频高电压试验
2.1 工频高电压的产生
（1）高电压试验变压器
高压实验室最基本的设备，通常采用高电压试验变压器或其串级装置。电容量较大的被试样可采用串联谐振回路。试验变压器绝大多数为油浸式 ，分绝缘壳和金属壳（金属壳又分单套管和双套管）。单套管变压器高压绕组一端接地、高压端经套管引出；双套管变压器高压绕组中点与外壳相连，每个套管承受额定电压的一半，可减小套管尺寸。
与电力变压器相比，试验变压器额定工作电压大、容量小、工作时间短、漏磁通较大。
容量确定：一般约到 1000 pF 试验电容、额定电压 100~150 kV 的变压器，高压绕组电流按 0.2~0.3 A 设计；500 kV 按 0.5 A；更高电压按 1 A 及以上。长电缆试验的必需容量Ps=U^2mC。
（2）串级装置
高一级变压器的励磁电流由前一级供给，称自耦式串级。三台单高压套管变压器串级时，T₃容量为 (U_2I_2)，T₂为 (2U_2I_2)，T₁为 (3U_2I_2)，整套制作容量 (6U_2I_2)，输出额定容量 (3U_2I_2)，容量利用率 (\eta=1/2)。n 级串级装置 (\eta=2/(n+1))。串接台数越多利用率越低，总漏抗急剧增加，因此串接数一般不超过3。
（3）调压
调压器应能在试验变压器输入端提供从零到额定值的平滑正弦电压，容量不小于试验变压器容量，有滑动触头时不应发生火花。
（4）串联谐振
谐振效应可产生不含不需要谐波的交流试验高压，串联谐振电路和特斯拉线圈谐振电路常用于产生工频高压。
拓展：三类试验变压器的工程选型
油浸式：绝缘油兼具冷却与绝缘，高电压（100 kV以上）、大容量场景下可连续工作30 min以上，是固定试验站和高压试验室的主力。充气式（SF₆）：密封外壳隔绝湿度，在GIS室、高湿环境中优势明显；SF₆绝缘强度约为同气压空气的2.5倍，体积小、局放低，但需监测气压（一般0.2~0.4 MPa表压）并考虑GWP回收要求。干式：无液体介质、搬运方便，适合移动试验车和现场临时试验，但空气自然冷却热容量小，连续工作时间通常仅5~15 min，适用电压以≤100 kV为主。
2.2 工频高电压的测量
常用方法：测量球隙或峰值电压表 测峰值；静电电压表 测有效值；峰值电压表和静电电压表常与分压器配合扩大量程。电力系统常用的电压互感器法在高压试验室不多用，测量很高电压时既不经济也不方便。按国标和IEC，无论有效值或峰值，误差要求不超过3%。
（1）球间隙
由一对同直径金属球构成，球隙距离与直径之比不大时为稍不均匀电场，击穿电压决定于球隙距离。放电时延小、伏秒特性平、分散性小，可测交流峰值、直流和冲击电压峰值。球径25 cm及以下一般用水平式，更大球径用垂直式，下球接地、上球接高压。测量工频电压取连续三次击穿平均值，间隔不小于1 min，各次与平均值偏差不大于3%。缺点：必须放电，湿度>90%时球面凝水使放电电压显著降低；电压越高球径越大、所需空间越大。
（2）峰值电压表
两种原理：利用整流电容电流测交流高压；利用整流充电电压测交流高压。
（3）静电电压表
利用两电极间静电力反映所加电压大小，精度在±3%以内。
（4）分压器
被测电压高于200 kV时，通常采用电容分压器 配低压仪表。(C_1)电容量小但承受高电压，(C_2)电容量大而承受低电压，(C_2)应采用高稳定度、低损耗、低电感的云母、空气或聚苯乙烯电容器。分布式电容分压器高压臂由多个元件串联，集中式高压臂用气体介质高压标准电容器（N₂、CO₂、SF₆及其混合气体）。电阻分压器 因对地杂散电容引起幅值和相位误差，仅适用于被测电压低于100 kV的情况。
2.3 绝缘的工频耐压试验
基本接线 ：试验变压器T由调压器AV供电，高压侧经保护电阻R₁接被试品TO©，并联测量系统（PV2等）。试验实施：按规定的升压速度提升电压至试验电压，保持1分钟 ，观察是否绝缘击穿或局部损伤（声响、分解出气体、电流/电压表异常等）。未发现异常即认为工频耐压试验合格。
需注意的问题：
（1）过电压 ：被试品多为电容性，可能产生"容升"效应；对初级突然加压或高压下突然切断电源也会引起过电压。措施：在变压器出线端与被试品之间串接适当阻值的保护电阻，限制短路电流、阻尼放电回路振荡。阻值太小保护不足，太大则正常工作时压降和损耗过大。
（2）波形畸变 ：铁芯工作在磁化曲线饱和段时励磁电流非正弦，或输入电源波形不标准，都会造成输出畸变。工频放电一般决定于电压幅值，波形畸变时幅值与有效值之比不再是 (\sqrt{2})，按有效值乘 (\sqrt{2}) 求幅值会造成较大误差。改善措施：在变压器原边并联LC串联谐振回路，选择合适参数消除特定次谐波。
（3）调压供电装置：自耦调压（调压范围广、损耗小、畸变小、便宜）；移卷调压（容量大、平滑，但漏抗大、可能电压谐振）；感应调压（畸变较大、感抗大、价贵）；电动-发电机组（波形好、不受电网质量影响，投资运行费用大，适合大型试验基地）。
三、直流高电压试验
3.1 直流高电压的产生
一体式直流高压发生器
分体式直流高压发生器
直流高压广泛用作冲击电压/电流发生器电源、静电喷漆、静电纺织、X射线、等离子体加速等。最常用的是变压器+整流装置的组合。
（1）半波整流回路 ：利用二极管单向导电性，输出正弦波正半部分。基本参数：额定直流电压 (U_d)（算术平均值）、额定直流电流 (I_d)（平均值）、电压脉动系数 (S=\delta U/(2U_d))。
（2）倍压整流回路 ：可看作两个半波电路的叠加，电源正、负半周分别经VD₁、VD₂对电容充电，输出电压是半波整流电路的2~3倍。
（3）串级直流发生器 ：基本倍压电路多级串联，按"电源---C₁---VD₂---C₂---VD₃---C₃---VD₄---C₄"逐级充电，获得 (4E) 等成倍直流高压。
3.2 直流高电压的测量
（1）高压高阻法 ：纹波小时杂散电容影响可忽略，不需屏蔽；纹波较高时需屏蔽高阻或采用阻容分压器。
（2）静电电压表 ：测平均值，纹波大时测量值不是严格的平均值。
（3）旋转电位计 ：电极旋转使电容变化，通过充放电电荷求最大值和平均值，不确定度在±1%以内。
（4）标准棒---棒间隙 ：直流下球间隙放电电压波动较大，IEC推荐棒---棒间隙，10次放电平均值 (U_s=2+0.534d)。
（5）标准球间隙：方法同交流，但长时间加压时灰尘纤维可能使放电电压异常低，故直流推荐棒---棒。
（6）纹波电压测量 ：串联C-R回路，当 (2\pi fCR\gg1) 时，R两端电压近似等于纹波电压。
拓展：直流耐压的典型工程对象与判据
直流耐压特别适合交联聚乙烯（XLPE）电力电缆 和电机端部 。电缆直流耐压一般施加1.83倍标称电压，持续1530 min，同时监测泄漏电流稳定性；分阶段均匀升压（至少3段），每段停留1 min读取泄漏电流，耐压5 min时的泄漏电流不应大于1 min时的值。6/6 kV及以下电缆泄漏电流小于10 μA、8.7/10 kV电缆小于20 μA时，不平衡系数可不作考核。对于HVDC电缆，还需进行极性反转试验，验证绝缘在电压极性切换下的响应。
3.3 绝缘的直流耐压试验
与交流耐压相比：优点 ------设备轻巧、适合现场预防性试验；可同步测泄漏电流；比交流更能发现电机端部绝缘缺陷；直流下局部放电较弱。缺点------不如交流接近实际运行工况；部分被试品击穿前瞬间临界泄漏电流很大，要求电源容量大。
四、冲击高电压试验
4.1 冲击高电压的产生
（1）单级冲击电压发生器原理
整流电源向主电容 (C_0) 充电 → 点火球隙F击穿 → (C_0) 向波前电容 (C_f) 充电，(C_f) 电压迅速上升至最大值 → (C_0) 与 (C_f) 一起经 (R_f) 放电，(C_f) 电压缓缓下降。(C_f) 上的充放电过程即被试品上的冲击电压波。
标准雷电冲击全波为非周期性双指数波 ，波前时间1.2 μs、半峰时间50 μs，由两个指数函数叠加：
波前范围内 (e^{-t/\tau_1}\approx1)，(u(t)\approx A(1-e^{-t/\tau_2}))，与直流电源经 (R_1) 向 (C_2) 充电的波形一致。
实际常用回路将 (R_1) 拆为 (R_{11})（阻尼）和 (R_{12})（调波前时间）分置 (R_2) 前后，放电回路利用系数 (\eta=U_{2m}/U_0) 可近似表达。
（2）多级冲击电压发生器（Marx发生器）
单级获得几百千伏以上既不经济也困难，采用并联充电、串联放电。整流电源经充电电阻 (R) 将各级电容 (C) 并联充电至 (U_C)；点火球隙 (F_1) 触发后，各级球隙 (F_2、F_3、F_4) 依次击穿，各级电容串联，总电压为 (nU_C)，向负载电容 (C_2) 充电并经波尾电阻放电，形成冲击电压波。
起动方式：自起动 ------将 (F_1) 极间距离调至击穿电压等于所需充电电压 (U_C)，电压升至 (U_C) 时 (F_1) 自行击穿；点火起动------充电至低于 (F_1) 击穿电压的水平，由点火装置产生脉冲使 (F_1) 辅助间隙击穿，进而引起主间隙击穿。关键是保证全部球隙跟随 (F_1) 同步击穿。
拓展：标准波形与效率
依据GB/T 16927.1-2011，标准雷电冲击波1.2/50 μs的允许偏差为波前时间±30%、半峰值时间±20%；标准操作冲击波250/2500 μs的波前时间允许偏差±20%。冲击电压峰值的测量不确定度应控制在±3%以内。多级Marx发生器对雷电冲击波的效率一般约80%，对操作冲击波有时仅60%；波形通过改变波头电阻 (R_f) 和波尾电阻 (R_t) 调整，幅值由充电电压调节，极性通过倒换整流硅堆极性改变。
4.2 冲击高电压的测量
与稳态电压不同，冲击电压是持续时间极短的暂态电压。规定峰值测量误差在3%以内 ，波头时间、波尾时间测量不确定度不超过10%。
（1）分压器 + 数字记录仪（示波器） ：可同时测定波形和峰值，广泛使用。数字记录仪输入电压一般小于数百伏，需与分压器配合。典型测量系统包括冲击电压发生器、被试品、阻尼电阻、分压器高压臂/低压臂、测量电缆和数字记录仪。
（2）标准球间隙 ：可测标准冲击和操作冲击电压幅值，误差在±3%以内；波尾较短时误差增加，球间隙最多用于1/5 μs波。试验时一般用球间隙校正发生器充电电压指示仪刻度，再按仪表指示产生所需电压。确定50%放电电压有三种方法：多级法 （以预期50%放电电压的2~3%为级差，每级10次，至少4级，正态概率纸上拟合 (P=f(U)) 求 (P=0.5) 对应电压）、升降法 （取预期值的2~3%为 (\Delta U)，上次放电则降压、未放电则升压，反复20~40次，按级统计求50%放电电压）、冲击峰值电压法。
（3）冲击峰值电压表 ：冲击电压经整流后对电容 (C_a) 充电，通过高输入阻抗放大器测充电电压；利用分压回路可测更高电压，不确定度在±1%以内。
4.3 绝缘的冲击耐压试验
电气设备内绝缘 的雷电冲击耐压通常采用三次冲击法 ：施加三次正极性雷电冲击和三次负极性雷电冲击。对变压器和电抗类设备的内绝缘，还要进行雷电冲击截波耐压试验，它对绕组绝缘的考验往往比全波试验更严格。
电力系统外绝缘 的冲击高压试验通常采用15次冲击法：对被试品施加正、负极性冲击全波试验电压各15次，相邻两次间隔不小于1 min；每组15次中击穿或闪络不超过2次即合格。
五、三类耐压试验的工程定位与互补关系
| 工频耐压 | 直流耐压 | 冲击耐压 | |
|---|---|---|---|
| 模拟对象 | 长期工作电压、等效过电压 | 工作电压（直流设备）及受潮/局部缺陷诊断 | 雷电过电压、操作过电压 |
| 核心优势 | 最直接检验绝缘强度，接近实际电场分布 | 设备轻巧、可同步测泄漏电流、对电机端部缺陷敏感 | 揭示陡波前下的局部缺陷（毛刺、气隙） |
| 主要局限 | 容升效应、波形畸变需控制 | 不如交流接近实际；击穿前临界电流可能很大 | 设备复杂，波形参数需精确控制 |
| 典型判据 | 1 min耐压无击穿/局放 | 泄漏电流稳定，5 min不大于1 min值 | 内绝缘3正3负；外绝缘各15次，闪络≤2次 |
拓展：为什么冲击耐压能发现工频耐压发现不了的缺陷
工频耐压的电压上升相对缓慢，某些微米级金属毛刺或极小气隙在工频下可能尚未触发足够强烈的局部放电，设备"通过"工频试验。但在冲击电压的陡峭上升沿（微秒级）作用下，局部电场集中点的dv/dt极高，极易引发局部放电并迅速发展为贯穿性击穿。现场失效分析表明，相当比例的击穿事故源于绝缘在瞬态过电压下的响应未被充分评估。这也解释了为什么变压器投运前必须进行空载冲击合闸试验------它考核的不仅是绝缘，还包括绕组在暂态电磁力下的机械强度。
六、本章核心公式与数值速查
| 项目 | 公式/数值 | 出处 |
|---|---|---|
| 串级变压器容量利用率 | (\eta=2/(n+1))，一般 (n\le3) | 第5章（上）P19 |
| 长电缆试验变压器容量 | (P_s=U^2\omega C) | 第5章（上）P16 |
| 球间隙工频测量 | 3次平均，间隔≥1 min，偏差≤3% | 第5章（上）P26 |
| 电容分压器适用 | (U>200) kV；电阻分压器仅 (U<100) kV | 第5章（上）P31、P33 |
| 工频耐压保持时间 | 1 min | 第5章（上）P36 |
| 直流棒---棒间隙 | (U_s=2+0.534d)（10次平均） | 第5章（下）P13 |
| 标准雷电冲击波 | 1.2/50 μs，峰值误差±3% | 第5章（下）P22、P28 |
| 多级冲击发生器 | 并联充电、串联放电；(n) 级总电压 (nU_C) | 第5章（下）P25 |
| 内绝缘冲击耐压 | 3次正极性 + 3次负极性 | 第5章（下）P35 |
| 外绝缘冲击耐压 | 正、负各15次，闪络≤2次 | 第5章（下）P35 |