冲击耐压试验

实验目的

熟悉冲击电压发生器的工作原理与结构。掌握冲击电压发生器的使用方法。掌握冲击电压的测量方法。学习冲击电压波形的调试方法。学习冲击电压发生器效率的测量与计算。

实验内容

计算所用冲击电压发生器的负载能力。改变冲击电压发生器的级数、试品电容，观察冲击电压波形的变化。测量并计算冲击电压发生器的使用效率。用升降法确定被试品羊角间隙的50%放电电压。用多级法确定被试品羊角间隙的50%放电电压。（或者用简单法即：针对某试品在某确定电压下冲击十次中有4~6次放电即可称为该电压是该试品的50%放电电压）。

实验说明

冲击耐压试验的意义冲击电压发生器是产生脉冲波的高电压发生装置。冲击电压试验是电力设备高压试验的基本项目之一。冲击电压试验即可用于研究电力设备遭受大气过电压（雷击）时的绝缘性能，又可用于研究电力设备遭受操作过电压时的绝缘性能。同时，在进行电磁兼容研究及放电机理研究等许多方面也都需要进行冲击电压试验。

冲击耐压试验的特点一般冲击电压发生器要满足两个要求：首先要能输出几十万伏到几百万伏的电压，同时该电压要有一定的波形。为了产生幅值很高的脉冲电压，目前仍采用1923年发明的Marx多级回路，如图3-3-1所示。该回路中3级电容器以并联的方式经过高阻RL被直流电压源充电到U0，然后经过3级球间隙f的同步放电被串联起来，从而在试品上获得将近3 U0的脉冲电压。虽然在实际使用中的Marx回路有多种不同的回路接线，但基本原理相同。

根据实测，雷电波是一种非周期性脉冲，它的参数具有统计性。它的波前时间（约从零上升到峰值所需时间）为0.5~10μs,半峰值时间（约从零上升到峰值后又降到峰值一半时所需时间）为20~90μs，累积频率为50%的波前和半峰值时间约为1.0~1.5μs和40~50μs。操作冲击电压波的持续时间比雷电冲击电压波长得多，形状比较复杂，而且它的形状和持续时间，随线路的具体参数和长度的不同而有异，不过目前国际上趋向于用一种几百微妙波前和几千微秒波长的长脉冲来代表它。

为了保证多次试验结果的重复性和各实验室间试验结果的可比性，对波形及波形定义应有明确规定。为此国际电工委员会和国家标准规定了标准雷电冲击全波及截波的波形和标准操作冲击电压波形。标准雷电冲击是指波前时间T1为1.2μs，半波峰值时间T2为50μs的雷电冲击全波，如图3-3-2所示。标准雷电冲击截波是指经过2～5μs被外部间隙截断的标准冲击，如图3-3-3。有关设备标准可以规定不同的截断时间。由于测量上的实际因难，电压跌落的持续时间没有标准化。标准雷电冲击电压的容许偏差，除有关设备标准另有规定外，实际记录的冲击和1.2/50μs标准雷电冲击的规定值之间的容许偏差如下：

峰值 ±3%

波前时间T1 ±30%

半峰值时间T2 ±20%

必须强调，峰值、波前时间、半峰值时间的允许偏差为规定值与测量值之间的允许偏差。它们与测量误差不同，测量误差为实际记录值与真值之差。

图3-3-2 雷电冲击电压波形

图3-3-3 标准雷电冲击截波

标准操作冲击是指波前时间Tp为250μs，半峰值时间T2为2500μs的操作冲击电压全波，如图3-3-4所示。如果在有关设备标准中未作其他规定，对于标准操作冲击，规定值和实测值之间允许下列偏差：

峰值 ±3%

波前时间Tp ±20%

半峰值时间T2 ±60%

图3-3-4 操作冲击电压波形

按照试验标准并考虑到足够的裕度，冲击电压发生器的标称电压与被试设备额定电压间的关系大致如表3-3-1所示。表中下限值满足型式试验需要，上限值供研究试验用。

表3-3-1 冲击电压发生器标称电压与被试设备额定电压间的关系

试品额定电压/kV　35　110　220　330　500

冲击电压发生器标称电压/MV　0.4~0.6　0.8~1.5　1.8~2.7　2.4~3.6　2.7~4.2冲击电压发生器有三项主要技术指标即标称电压、标称能量和效率。标称电压是指发生器每级主电容的标称充电电压值与级数的乘积。其值一般为几百kV至几千kV。标称能量是指发生器主电容在标称电压下的总存储能量。其值一般为几十kJ至几百kJ。效率是指发生器输出电压峰值与各级实际充电电压值的总和之比。

冲击电压，无论是雷电冲击还是操作冲击，都是快速或较快的变化过程。随着GIS装置的发展，在该装置中发生的操作冲击波是一个极快速瞬态过程，简称VFT(very fast transient)过程。它的波形的变化过程更快，以纳秒计量。因此测量冲击高电压的仪器和测量系统，必须具有良好的瞬态响应特性。冲击电压的测量包括峰值测量和波形记录两个方面。

冲击耐压试验结果的判定标准对于冲击电压试验，根据试品绝缘性质不同可分为两类。一类是耐受电压试验，试验对象为非自恢复绝缘和既有自恢复绝缘也有非自恢复绝缘的试品。另一类是破坏性放电试验，试验对象为自恢复绝缘的试品。

耐受电压试验判定方法雷电冲击与操作冲击的试验程序基本相同。试验程序与试品性质有关。在有关设备标准中应规定采用哪一种程序。

对于耐受电压试验，主要的试验程序有A、B和C三种，施加到试品上的电压是规定的耐受值。

耐受电压试验程序A在试品上施加3次具有规定波形和极性的额定耐受电压。如果按有关设备标准规定的检测方法未发现损坏，则认为通过试验。

注：这种程序被推荐用于非自恢复绝缘。

耐受电压试验程序B在试品上施加15次具有规定波形和极性的额定耐受电压。如果在自恢复绝缘部分发生的破坏性放电不多于2次，按有关设备标准规定的检测方法未发现非自恢复绝缘有损坏，则认为通过试验。

耐受电压试验程序C施加3次具有规定波形和极性的额定耐受电压，如果没有发生破坏性放电，则试品通过试验；如果发生破坏性放电超过1次，则试品未通过试验：如果在自恢复绝缘上发生1次破坏性放电，则再加9次冲击，如再无破坏性放电发生，则通过试验。

如果在试验期间按有关设备标准规定的检测方法发现非自恢复绝缘部分有任何损坏，则试品未通过试验。

破坏性放电试验判定方法对于破坏性放电试验，需要确定试品的50%放电电压。确定50%放电电压的方法分多级法和升降法。

多级法: 电压级数n ≥4，每级冲击次数m≥10。即对n个电压等级Ui(i=1,2……n)中的每一级施加mi次基本不变的电压。

试验结果为级数n、每级施加次数mi和每级电压Ui时的破坏性放电次数为。

多级法具体实施方法如下：

以预期的50%放电电压的1.5%~3%作为电压级差对被试品分级施加冲击电压。每级施加电压10次（次数增多可提高精度，但不必多于20次）。至少要加4级电压，要求在最低一级电压时放电次数近于零，而在最高一级电压时，近于全部放电。求出每级电压下的放电次数与施加次数之比P（即放电频度）后，将其按电压值标于正态概率纸上，绘出拟合曲线P=f（U）,在此曲线上对应于P=0.5的电压值即为50%放电电压。在0.2≤P≤0.5和0.5≤P≤0.8二区域内都应有试验点。

升降法：每级冲击次数m = 1，有效冲击次数n≥20。电压等级Ui施加n组，每组m次基本不变的电压，每组加压的电压水平根据前一组试验结果来确定增加或减少一个小量△U。在所有情况下，电压级差△U约为U50估算值的1.5%～3%。

升降法具体实施方法如下：

先估计50%放电电压预期值Uk。第一次施加的冲击电压值Uk ，如未引起放电，则下次施加电压应为Uk+ΔU。此处ΔU=（1.5~3）%Uk。如Uk已引起放电，则下次施加电压应为Uk-ΔU。以后加压都按下述规律：如上次加压已引起放电，则本次施加的电压就要比上次电压低ΔU；如上次加压未引起放电，则本次施加的电压就要比上次电压高ΔU。这样反复升降加压到足够次数后，分别计算出各级电压Ui下的加压次数ni，按式（3-3-1）求出50%放电电压

（3-3-1）

Σni应≥20，但一般不必>40。

为减小由于Uk取的不当而引起的误差，至少最初两次加压不算。在任何情况下，所取的第一次电压值与U50相差应不大于2ΔU。此外，相邻两次加压的时间间隔应不小于30秒，这是考虑到被试品绝缘强度恢复的需要。

实验装置和接线图

实验装置冲击耐压试验所用的设备通常是根据实验室的具体情况专门设计定制的。冲击电压试验系统主要包括：冲击电压发生器本体、直流充电电源、分压器和控制系统。由于该设备是生产厂家设计的成套设备，因此不再对设备的参数选择加以叙述。下面主要针对冲击电压发生器系统进行介绍。详细内容见表3-3-2。

表：3-3-2 冲击电压发生器系统构成

冲击电压发生器本体　额定电压　1100kV　直流充电电源　充电变压器　0.22/45kV 3kVA

额定能量　27.5kJ　倍压电容　ZWF50-0.08

级数　11　整流硅堆　2CL 200mA 150kV(2只)

每级充电电压　±100kV　直流高阻　200M

每级电容量　0.5uF　低阻尼电容分压器　额定电压　1100kV

输出波形　
　高压臂电容　600pF MWF600-1201型

低压臂电容　418nF

主电容　MMJ100-2(11台）　额定分压比　696

波头电阻　47 (黄，11只)；5k (红蓝，11只)；8.5k(黑蓝，11只)　校验分压比　736.1(整台) 364.6(下节)

波尾电阻　150 (绿，11只)；200 (黑，11只)；7k (白兰，12只)　测量系统　示波器　TDS3012B数字示波器

充电电阻　46k (10只)　衰减器　100：1

原理图冲击电压发生器原理图如图3-3-5所示。当要求的输出电压较低时，可采取减少冲击电压发生器级数来实现。图3-3-6为减少级数的串联接线原理图。

图3-3-5 冲击电压发生器原理图

图3-3-6 减少级数的串联接线原理图

实验步骤

按实验原理图进行接线，选择合适的波头和波尾电阻，使冲击电压发生器输出雷电冲击电压；由指导教师检查接线，确认接线正确后，所有人员离开实验区域；将接地棒从冲击本体电容处取下，确定实验区域无人，封闭实验区域；接通冲击电压发生器实验控制台电源，在控制操作界面上设置每级充电电压为设计值，充电时间40S，球隙距离调整设置成自动调节；按下充电按钮；冲击机同步放电后，记录这个波形；点击控制台上的接地按钮，关闭电源，将接地棒挂在冲击发生器第一级电容器的非接地端。计算雷电冲击电压发生器的效率η。安装羊角间隙，将羊角间隙作为冲击电压试验的负载，测量羊角间隙的间隙距离；用多级法确定被试品50%雷电冲击放电电压；用升降法确定被试品50%雷电冲击放电电压；点击控制台上的接地按钮，关闭电源，将接地棒挂在冲击发生器第一级电容器的非接地端。将冲击机本体输出端从第四级电容器接至分压器，断开第四级与第五级的波头电阻和充电电阻，短接第五级放电球隙，拆除羊角间隙；重复步骤3~7，观察输出电压波形的变化。将电容器作为冲击电压试验的负载，重复步骤3~7，观察输出电压波形的变化；实验完毕，断开实验总电源，将实验场地恢复整洁。

实验报告要求

汇总冲击机本体不同级数输出电压和不同电容量试品时冲击机的输出电压波形，并分析波形不同的原因。给出修正波形的方法。将多级法和升降法的实验数据整理记录到设计的表格内。根据实验数据确定50%放电电压。回答思考题。

实验注意事项

接线时所有高压线距接地线或其它接地物保持安全距离；接好线后所有人离开高压区，关好门之后才能合闸；升压速度不要太快，尽可能均匀；操作时，注意实验区情况，出现不正常情况随时切断电源；每次操作完毕，需切断电源，放电后并将接地棒挂在第一级充电电容非接地端才允许进入实验区。

思考题

简述我国现行标准中雷电冲击和操作冲击的波形是如何规定的。冲击电压测量可采用哪几种分压器？每种分压器的特点是什么？试叙述电阻分压器与电容分压器和示波器配合测量冲击高压时分压器低压臂与电缆配合的典型电路。简述冲击电压试验中的多级法和升降法。对同一间隙分别用多级法和升降法进行试验确定其50%放电电压，试验数据列于表1和表2，试用这些数据计算该间隙的50%放电电压。表1. 多级法试验数据（其中1表示击穿，0表示没有击穿）

施加次数
级电压 　1　2　3　4　5　6　7　8　9　10　击穿次数

28kV　1　0　0　0　0　0　0　0　0　0　1

29kV　0　0　1　1　1　0　0　0　0　0　3

29.5kV　0　0　0　1　1　1　1　0　1　0　5

30kV　0　1　0　1　1　0　0　1　1　1　6

30.5kV　1　1　1　1　1　1　1　1　1　1　10

表2. 升降法试验数据（其中1表示击穿，0表示没有击穿）

　1　2　3　4　5　6　7　8　9　10　11　12　13　14　15　16　17　18　19　20

28.5kV　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　

29kV　
　
　
　
　
　
　0　
　
　
　0　
　0　
　
　
　
　
　
　

29.5kV　
　
　
　
　
　1　
　0　
　1　
　1　
　0　
　0　
　
　
　1

30kV　0　
　0　
　1　
　
　
　1　
　
　
　
　
　1　
　0　
　1　

30.5kV　
　1　
　1　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　1　
　

31kV　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　

试写出3种以上需要做冲击耐压试验的电气设备。