直流电压介电强度试验仪

直流电压介电强度试验仪

一、  试验设备与装置

试验设备与装置：高压试验变压器、调压器以及控制线路和保护装置。

（1）高压试验变压器：

要求：具有足够的额定电压和容量，且输出电压的波形没有畸变。

A.变压器的容量

指变压器在额定电压电流的情况下的视在功率。

（视在功率：交流电路中，电压和电流的乘积，或者说有功功率和无功功率的矢量和，单位为V·A或KV·A。)

S=UI=U²ωC_X

绝缘材料击穿试验通常选取容量为10kV·A的变压器。

对与大电容试样的耐压试验，采用超低频正弦电压，可以大大降低变压器的容量。（如采用0.1Hz超低频电压，变压器容量可减小到50Hz时的1/500。）

B.变压器的电压

额定电压等级是根据试样的试验电压等级来选定，通常选取50~100kV。采用多台变压器串接可获得更高的试验电压。

串接变压器原理图

两台变压器串接输出的视在功率：S=2UI

设备容量的利用率：2UI/3UI=2/3

注意：串接的级数增加，输出的电压增高，但设备容量的利用率降低。

对于电容量较大的试样，可以通过串联谐振回路获得比试验变压器更高的电压。

串联谐振回路原理图

调节电抗器的电感L或改变试验电压的频率，达到谐振：

ωL=1/ωC_X        →    U_X=QU₀

Q为谐振回路的品质因素，一般为20~80。

C.电压的波形

工频电压的波形：正弦波。

波形畸变影响介电强度试验结果：

ü  高次谐波会降低击穿场强；

ü  击穿决定于电压的峰值，而测量的电压是有效值，若波形畸变，则同一峰值电压测得的有效值就不同了。

波形因素：正弦波电压的峰值与有效值之比。U幅值=√2U有效

通常要求波形因素不超过：√2（1±5%）

波形畸变的原因：变压器的非线性激磁电流造成的。

变压器的磁化曲线：a)磁通与激磁电流的关系；b)磁通及激磁电流的波形

试验变压器的输入电压为：U₁=K(U_S-U₂)

k为调压器的电压比；

U_s为电源电压；

U₂为激磁电流流经调压器产生的电压降。

调压器的漏抗越大，波形畸变越严重。在调压器和试验变压器之间接入滤波器可改善电压波形。

（2）调压器

用来调节电压上升的方式和速度，接在试验变压器和电源之间。

常用调压器：自耦调压器和移圈调压器。   

A.    自耦调压器

原理：借助于一个滑动触点沿着绕组移动来改变输出电压。

优点：结构简单、体积小、漏抗小、价格便宜。

缺点：输出电流较大时，触点在移动过程中因接触不好会产生火花。

B.    移圈调压器（容量较大）

原理：靠移动短路线圈改变其他两个线圈的漏磁通，从而改变在这两个线圈上的电压分配来实现调节输出电压。

优点：调压过程靠电磁耦合，不会出现火花，容量可做得很大。

缺点：漏抗较大，波形易产生畸变。

移圈调压器结构图                    移圈调压器原理图

（3）控制线路

满足要求：

只有在试验人员撤离高压试验区，并关好安全门之后，才能加上电压进行试验。

升压必须从零开始，以一定方式和速度上升。

在试样发生击穿时，能自动切断电源；在自动控制线路中，能自动是电压下降到零。

计算机在介电强度试验的控制系统中应用：采用单片机或微机控制步进电动机带动调压器实现升压、降压过程。

（4）保护和接地

在试验回路的低压部分可能出现高电压的地方接上放电间隙。  

在高压测试回路中应接保护电阻。

接地点和接地体的连接线应采用尽量短的多股线，以减小电阻和电感。

高压试验区应装有保护围栏，并备有接地棒。

二、工频高电压的测量

测量方法：静电电压表法、球隙测量法、互感器测量法、分压器法、测量绕组法。

（要求测量误差不超过3%，测量用仪表一般要求为0.5级）

固体电介质击穿的形式：电击穿、热击穿和电化学击穿。

（1）电击穿：

由碰撞游离形成电子崩，当电子崩足够强时，破坏介质晶格结构导致击穿。

主要特征：击穿电压高、击穿过程极快、击穿前发热不显著、击穿场强与电场均匀程度密切相关而与周围环境温度无关。

影响介电强度的因素

影响因素：电压波形及频率、电压作用时间、电场的均匀性及电压的极性、试样的厚度与不均匀性、环境条件等。

（1）电压波形及频率

直流电压下的E_B高于工频交流电压下的E_B。（因直流下只有电导损耗）

冲击电压下因作用时间短，热的积累效应和局部放电造成的破坏还来不及形成，其E_B高于直流和和工频交流下的E_B。

电压频率越高，介质损耗越大， E_B越低。

工程上绝缘材料的击穿场强通常是指工频电压下的击穿场强。

（2）电压作用时间

电击穿的时间很短，可以在10^-7~10^-9s内发生。热击穿因热的累积需要较长时间，随着时间增长，E_B明显下降。E_T=E_∞（1+a/√t）

聚乙烯的击穿场强与电压作用时间的关系

E_∞为加压时间足够长击穿电压达到稳定时的最小击穿场强

a为常数，t为加压时间， E_t为加压时间t时的击穿场强。

（3）电场的均匀性及电压的极性

不均匀电场下的击穿场强低于均匀电场下的本征击穿场强。

在不均匀电场下，直流和冲击电压的极性对击穿电压有明显影响。

针尖对平板电极系统

当针尖电极为正极性时，击穿电压要比针尖电极为负极性时低。

（4）试样的厚度与不均匀性

试样的厚度增加，会增加材料散热的困难，也会增加电场的不均匀度，试样内部含有缺陷的几率增大，从而使E_B下降。E_B=U_B/d=Ad^n-1

绝缘纸的E_B与厚度的关系

A为常数，d为试样厚度，n随材料性质、电压波形、及厚度范围在0.3~1.0范围内取值。

对于薄膜试样，E_B将随厚度减小而显著增加。

（5）环境条件

A.温度的影响

聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的E_B与温度关系

温度升高，通常会使E_B下降。（尤其在材料的玻化温度范围，因发生热击穿E_B下降明显。）

在低温区某些材料的E_B随温度升高而增加，这是温度对电击穿电压的影响。

聚异丁烯的E_B与温度关系

B.湿度的影响

变压器油的击穿电压与含有水分的关系

湿度增大，会使击穿场强下降。（对液体电介质尤为明显，因为水分的电导和介质损耗较大，会改变电场分布。）

C.气压的影响

巴申曲线图

巴申定律：U_B=f(ps)（p为气压，S为电极间距离）

S固定，改变p时：

气压较低时，气体密度较小，碰撞几率减少，则E_B随气压降低而提高。

气压较高时，气体密度较大，碰撞过程的自由行程短，则E_B随气压升高而提高。p固定，改变S时：距离过大，只有提高电压才能使气体发生碰撞游离。

工程上应用：空气断路器和真空断路器用此规律来提高击穿电压和减小体积尺寸。

（6）其它因素

NaCl晶体的击穿场强受辐射的影响

Ø  辐射的影响

X射线照射离子型晶体，会使晶格缺陷产生变化，从而使E_B发生变化。

Ø  机械应力的影响

机械应力增大，击穿场强降低。

Ø  杂质、缺陷的影响

工程上用的绝缘材料中的杂质、缺陷会明显地降低击穿场强。

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