評定電工設(shè)備絕緣耐受電壓能力

檢驗和評定電工設(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)備正常運行。單一絕緣材料的介電強度是以沿厚度的平均擊穿電場強度來表示（單位是kV/cm）。電工設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu),如發(fā)電機、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)的破壞都會使整個設(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)備所實際具有的絕緣強度。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)備的絕緣耐壓試驗電壓，以表明對該設(shè)備的絕緣水平要求。絕緣耐壓試驗是一種破壞性試驗（見絕緣試驗），因此，對一些缺少備品或修復(fù)時間較長的運行中關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)慎重考慮是否進行絕緣耐壓試驗。

電力系統(tǒng)中的各種電工設(shè)備在運行時，除承受交流的或直流的工作電壓外，還會遭受各種過電壓。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理也不盡相同。因此，需要采用對應(yīng)的試驗電壓進行電工設(shè)備的耐壓試驗。中國標準對于交流電力系統(tǒng)規(guī)定的絕緣耐壓試試驗有：①短時（1 分鐘）工頻耐壓試驗；②長時間工頻耐壓試驗；③直流耐壓試驗；④操作沖擊波耐壓試驗；⑤雷電沖擊波耐壓試驗。并且規(guī)定3～220kv電工設(shè)備在工頻運行電壓、暫時過電壓和操作過電壓下的絕緣性能，一般用短時工頻耐壓試驗予以檢驗，可不進行操作沖擊試驗。對330～500kv的電工設(shè)備，需用操作沖擊試驗檢驗操作過電壓下的絕緣性能。長時間工頻耐壓試驗是針對電工設(shè)備內(nèi)絕緣劣化和外絕緣污穢的情況而進行的一種試驗檢驗。

絕緣耐壓試驗標準，在各個都有具體規(guī)定。中國標準(GB311.1-83)規(guī)定了3～500kv輸變電設(shè)備的基準絕緣水平；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)運行部門在選擇耐壓試驗的項目和試驗電壓值時，都應(yīng)符合標準的規(guī)定。

工頻耐壓試驗

用于檢驗和評定電工設(shè)備絕緣耐受工頻電壓的能力。試驗電壓應(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來檢驗絕緣的短時耐壓能力，用長時間耐壓試驗來檢驗絕緣內(nèi)部的漸進性劣化，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。

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。試驗中實際施加的試驗電壓的波形和頻率難免與標準規(guī)定有偏差。中國標準（GB311.3-83）規(guī)定，試驗電壓的頻率范圍應(yīng)是45～55Hz，試驗電壓的波形應(yīng)接近正弦波，其條件為正負兩個半波應(yīng)完全一樣,其峰值和有效值之比等于±0.07。一般所謂試驗電壓值是指有效值，就是其峰值除以。

試驗所用電源由高壓試驗變壓器和調(diào)壓裝置組成。試驗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)滿足試驗要求并留有余地；試驗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，以免測量困難，甚至影響放電過程。因此，試驗電源要有足夠的容量，內(nèi)部阻抗應(yīng)盡可能小。一般都以在試驗電壓下能輸出多大短路電流來規(guī)定對試驗變壓器容量的要求。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，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，要求設(shè)備短路電流不小于0.1A；做外絕緣人工雨試驗,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,要求設(shè)備短路電流為1A。一般說來,額定電壓較低的試驗變壓器多采取0.1A制,即允許變壓器高壓線圈中持續(xù)流過0.1A，如50kV試驗變壓器的容量定為5kVA,100kV試驗變壓器容量為10kVA。額定電壓較高的試驗變壓器,多采取1A制,即允許變壓器高壓線圈中持續(xù)流過1A,如250kV試驗變壓器容量為250kVA，500kV試驗變壓器容量為500kVA，因為較高電壓的被試設(shè)備的外形尺寸較大,設(shè)備等效電容也較大，需要試驗電源提供更多的負荷電流。單臺試驗變壓器的額定電壓過高，制造時會在技術(shù)上和經(jīng)濟上引起一些困難。中國單臺試驗變壓器的較高電壓為750kV，世界上單臺試驗變壓器的電壓超過750kV的也很少。為了滿足超高壓和特高壓電力設(shè)備交流電壓試驗的需要，通常用幾臺試驗變壓器串接來獲得高電壓,如3臺750kV試驗變壓器串接獲得2250kV試驗電壓,這就叫做串接試驗變壓器。變壓器串接時的內(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)電機做工頻耐壓試驗，要求電源裝置既是高電壓又是大容量。實現(xiàn)這種電源裝置會遇到困難，一些部門采用了工頻高壓串聯(lián)諧振試驗設(shè)備（見交流高壓串聯(lián)諧振試驗裝置）。

雷電沖擊耐壓試驗 通過人工模擬雷電流波形和峰值以檢驗電工設(shè)備絕緣耐受雷電沖擊電壓的能力。根據(jù)雷閃放電的實測結(jié)果，認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)雷為負極性。世界各國的標準都把標準雷電沖擊波標定為：視在波頭時間T1=1.2μs，又稱波頭時間；視在半波峰值時間T2=50μs，又稱波尾時間（見圖）。實際試驗裝置產(chǎn)生的電壓峰值和波形與標準波之間的容許偏差為：峰值，±3%;波頭時間，±30%；半波峰值時間，±20%；通常把標準雷電波形表示成1.2/50μs。

雷電沖擊試驗電壓由沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生。沖擊電壓發(fā)生器的多個電容器由并聯(lián)轉(zhuǎn)串聯(lián)是通過許多點火球隙實現(xiàn)的，即控制點火球隙使它放電時把多個電容器串聯(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。試驗時，通過改變波頭電阻和波尾電阻的阻值，獲得標準沖擊電壓波的預(yù)定波頭時間和半波峰值時間。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

內(nèi)容包括 4項。①沖擊耐電壓試驗：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：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。有了這個電壓值與閃絡(luò)值間的標準偏差,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：目的是確定絕緣的實際強度。主要在電工設(shè)備制造廠進行。④電壓時間曲線試驗（伏秒曲線試驗）：電壓時間曲線是表示施加電壓到絕緣破壞（或瓷絕緣閃絡(luò)）與時間之間的關(guān)系。伏秒曲線(V-t曲線) 可為考慮變壓器等被保護設(shè)備與避雷器等保護設(shè)備間的絕緣配合提供依據(jù)。

除用雷電沖擊全波進行試驗外，有時對變壓器、電抗器等有繞組的電工設(shè)備，還要做截斷時間為2～5μs的截斷波試驗。截斷可發(fā)生在波頭，也可以發(fā)生在波尾。這種截斷波的產(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。雷電沖擊電壓試驗由于過程快，幅值高，對試驗和測量的技術(shù)要求較高，常常規(guī)定出詳盡的試驗程序、方法和標準，在進行試驗時參閱執(zhí)行。

操作沖擊過電壓試驗

通過人工模擬電力系統(tǒng)操作沖擊過電壓波形，檢驗電工設(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，高可達相電壓的3～4倍。操作沖擊波比雷電沖擊波作用時間長，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)，可近似地用短時工頻耐壓試驗來等效地檢驗設(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，不能再用短時工頻電壓試驗來近似代替操作沖擊電壓試驗。從試驗數(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,即間隙距離加大時耐受電壓增加緩慢,甚至還低于短時工頻放電電壓。所以必須模擬操作沖擊電壓對絕緣進行試驗。

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，只是波頭時間和半峰值時間都比雷電沖擊波長許多。國際電工委員會推薦操作沖擊電壓的標準波形為250/2500μs；當(dāng)標準波形不能滿足研究要求時，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。高壓實驗室內(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準波形間允許偏差為：峰值，±3%;波頭，±20%；半峰值時間，±60%。②衰減振蕩波：要求其01個半波持續(xù)時間為2000～3000μs，而02個半波的幅值大致要達到01個半波幅值的80%。衰減振蕩波是利用電容器對試驗變壓器低壓側(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，利用被試變壓器本身來產(chǎn)生試驗波形，以檢驗自身的耐壓能力。

操作沖擊過電壓試驗的內(nèi)容包括5項:①操作沖擊耐電壓試驗;②50%操作沖擊閃絡(luò)試驗；③擊穿試驗;④電壓時間曲線試驗（伏-秒曲線試驗）;⑤操作沖擊電壓波頭曲線試驗。前 4項試驗與雷電沖擊電壓試驗中的相應(yīng)試驗要求相同。第 5項試驗是操作沖擊放電特性所要求的，因為長空氣間隙在操作沖擊波作用下的放電電壓會隨沖擊波頭而改變。在某一波頭長度,如150μs時，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--直流高壓發(fā)生器

應(yīng)用直流電源檢驗電工設(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)備進行耐壓試驗。

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

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值是串級數(shù)、負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，會使壓降和脈動達到不可容許的程度。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)境試驗時的預(yù)放電電流可達幾百毫安，甚至1安,此時應(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)時間為500ms、幅值為500mA的預(yù)放電電流脈沖每秒流過一次時，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(見絕緣試驗)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,同時也做絕緣耐壓試驗。試驗表明,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超低頻進行耐壓試驗可以和工頻耐壓試驗相當(dāng)，這樣既避免了采用大容量交流耐壓試驗設(shè)備的困難，又能反映受試設(shè)備絕緣的狀況。目前對電機端部絕緣進行超低頻耐壓試驗，認為比工頻耐壓試驗更有效。