南昌大学高压实验指导书

高电压技术实验指导书

（部分习题集）

南昌大学信息工程学院

电力系统及自动化教研室

目录

高压实验学生守则 (1)

实验一空气绝缘强度上的极性作用和极间障影响的研究

(2)

实验二沿面放电及绝缘油击穿 (8)

实验三介质损耗的测量 (12)

实验四电缆中的波过程 (16)

附录二接地电阻的测量 (22)

附录三 (24)

附录四 (26)

附录五 (28)

高压技术习题与思考题 (30)

高压实验学生守则

学生进行高压实验以前，必须认真地学习下列守则，并严格遵守，以确保实验安全，避免造成严重的人身或设备事故。

1．未开始实验前，未经指导教师同意，不得进入安全遮拦以内，任何时候不要随意玩弄试验室中任何设备。

2．试验时应严肃认真，思想集中，不要作出妨碍他人工作的举动。

3．实验过程中每次进入安全遮拦以内，必须先切断高压设备的电源。作接地棒在高压器及有关的高压电极处接地，将电容器放电并接地。

4．实验过程中若需要合上高压电源，必须先除去高压变压器及有关高压极上的接地棒，闭上遮拦门，并检查调压变压器是否在零位。合上电源后电压应逐渐升高。试验过程中如有异常现象，应及时切断电源。

5．任何时候在接触任何高压设备的高压部分以前，应先检查；

（1）可能带电的导体是否已经接地；

（2）任何不带电的金属部分是否已经用导线牢固接地；

（3）高压电容器是否已经放电并接地；

（4）供给高压设备的电源开关是否已经断开（只把调压变压器退到零位不能算电源已经断开）。

6．接线需经指导教师检查无误后才准开始实验。

7．每组学生需推定一人负责合闸、拉闸、调整电压等操作。

另推一人监护安全操作。电源合闸时，操作者应声明“注意！合闸”。以及其他组同学注意。

8．情绪不正常和精确萎靡者不得进行高压实验。

9．现场人员不少于二人者不得进行高压实验。

10．实验前学生应该认真学习实验指导书和教材中与实验内容有关的部分，实验时应备好计算器（或计算尺）。以便随时核算试验数据。

11．学生要认真回答指导教师有关本次实验的提问，多次不能回答问题者，可停止其本次实验。

12．实验报告应书写在规定的实验报告上，实验报告中应包括本次实验的目的和实验内容等有关项目。对本次实验数据和有关实验现象要认真整理、分析和讨论。实验曲线必须画在坐标纸上、实验报告中的字体应端正清楚，不符合要求的实验报告应退回重做。

13．实验结束后，学生应整理实验现场按手续归还借用仪器设备，经指导教师同意后学生才能结束实验。

14．实验报告应在实验后一周内交给教师评阅、考核。

15．实验指导书和发还的实验报告至少应保存到本门课程学习结束为止。

实验一空气绝缘强度上的极性作用和极间障影响的研究

一、实验目的

1．学会高压实验的安全技术；

2．学习工频试验变压器的应用及其运行办法；

3．学习交、直流高电压的测量方法；

4．从实验中阐明极不均匀电场下电极性和极间障对空气间隙击穿电压的影响。

二、理论简悟

空气间隙抗电抗强度和其击穿的发展过程的研究在高压技术中具有实际意义。当间隙一定时，击穿电压和电场分布（均匀和不均匀对称或不对称）大气条件，电压作用时间，以及电场强度较大的电极极性等一系列因素有关。

极不均匀电场的特征是电极间距离远大于电极本身曲率半径，电晕电压实际上和击穿电压相吻合。

极不均匀电场的另一特点是电极形状的改变，几乎不影响击穿电压，只是当电场分布不对称时（极不对称电场）击穿电压才出现有较大的差别，因此在实际应用中，对于极不均匀电场中击穿电压的估计常利用所谓典型电极（棒-棒、棒-极）的击穿电压对间隙距离曲线（两电极几何尺寸相差不多时，可利用棒-极曲线例如变压器相间空气距离，两电极几何尺寸相差很大时，可利用棒-极曲线例如变压器接线端对油枕的空气距离）。

在极不对称电场中，击穿过程的发展总开始于电场强度大的电极近旁，所以这个电极的极性不同，击穿电压也就有极显著区别。在图一中可以很明显的看到具有极不对称电场的棒-极间隙在正棒时击穿电压，远低于负棒是的击穿电压，而从电晕电压来看棒极为正时则反较负棒时较高些，要说明这些现象不得不比较详细的复习一下放电发展过程。

不管棒极为正或者为负间隙击穿以前，在棒极附近总首先出现电晕电压随间隙距离的变化（U c：击穿电压，U d：电晕电压）电晕放电，也即是说在整个间隙中这一区域内空气介质首先被破坏这里发生这里发生游离所形成的空间电荷对间隙击穿过程是起助长或抑制的作用，就决定了棒极性不同，在同样距离下击穿电压也就有很大差别的结果。

当棒极为正时，棒极附近的正游子。使间隙原来电场较弱部分的电场强度加强了，这样就有利于游离区域更向负极扩张，容易使游离发展而形成全击穿过程。

当棒极为负时，紧靠近棒极向负极迟缓移动的正游子，使原来已经较弱的电场区域更加削弱，亦即是对于跑向正极的电子来说，这些正游子，起掣动作用。使游离区域难于向正极发展，不容易形成流注结果在同一间隙距离下。负棒击穿电压要比正棒高的多。

正电晕和负电晕不论从其外部现象的视察或分析其放电机构都是有本质上的不同。形成自持的电晕放电所必需的二次电子来源，对于负棒主要是从负电极上释放出来，（藉正游子撞击阴极作用，特别是阴极表面的光游离，也可能是阴表面的冷放射）。而对于正棒只有

放电距离

图1 在不同极性下棒一板间隙击穿电压

依靠光电子所进行的空间光游离作用才能形成自持的电晕放电。

如果外施电压为50周交流电压，那么间隙的击穿总在棒极为正的时候击穿电压应接近于直流电压正棒极的情形，但是空间电荷的形成与积累是需要一定时间的，亦即助长击穿过程因素的形成不及正棒电压时有利，所以正频的击穿电压和负棒击穿电压差别就减少了一些可以想象到如果冲击电压作用下，其差别减少的更多。

如果在空气间隙中放置一层薄层固体介质（极间隙），则离子的运动在此外受到阻碍，附着于极间隙的带电质点使电场分布发生变化，如果从改变电场分布的观点来看间隙的作用，那么极间隙的绝缘强度如何是无关紧要的。事实上只在电压接近于击穿电压时，极间隙的绝缘强度才起重要作用。

若两电极的距离a 不变，改变极间隙对棒极间距离1a ，击穿电压和1a /a 比值的关系如图二所示。

当间隙中具有极间隙时，在极间隙向着棒极的一面，散步着和棒极同以符号的离子，此时极间隙至板极间的一段间隙中电场或多或少的接近于均匀电场。较大部分电压也承受在这一部分间隙中，这个现象从图二实验曲线中的下列事实充分的得到证实。

在极间隙时，极性的影响在很大范围内是很了，而且他们击穿电压的数据也接近与极间隙至极板的均匀电场下的击穿电压。

在图中还可以看到，当极间隙过分靠近电极时，极间隙的存在无显著影响，当正棒时极间隙使击穿电压大大提高，而负棒时，在1a 较大的情况下，很大的范围内极间隙反而降低了击穿电压。

为了充分发挥提高击穿电压的作用通常极间隙的形状，常使它接近于电场等位面，以减少极间障面电场表面分量。其位置希望靠近棒极，一般不小于1-3公分。

图2 棒一极隙中极间障位置对击穿电压的影响（极间障为电缆纸）

三、实验设备和方法

实验室共有二套设备可以做本试验，二套设备的路线如下图所示图3a中若按图中实线的接法，直流输出电压的极性为负的。若按虚线的接法，直流输出电压的极性为正。

试验时直流击穿电压的读数都是根据高压试验变压器TP1的初级电压值换算的。换算需利用电压校正曲线进行。

电极的支架采用Q-15求隙器配用针、板电极，如图4所示。

实验前必须熟悉试验设备（型号、规格、外形）。然后完成实验接线。安装好电极后关好安全门才能进行加电压操作，安装电极时应测量好极间的距离。（可利用设备本身的标尺，也可以利用量具进行）。

图3a T1 高压试验变压器T2 调压器R 保护电阻

Sr 硅堆整流器 C 高压电容器V1 TP1测量电压表V2 静电电压表

加压前将将接地棒拆除，合电源开关，缓缓升压，读出开始放电时的电压值。每一距离做三次。取平均值，每次均应把电压（调压器）退到零位，过一段时间，再升电压到放电。

四、实验内容

A. 测量交流（或直流）电压的校正曲线。

B. 测量不同电极形状下间隙击穿电压。并确定它和间隙距离的关系曲线。 记录如下表所示：

直流I 频

正极、负极、I 频

直流、I 频

5

1

2 3 平 均

电

极 形

状

电 源

类 型 和

极 性

击 穿 电 压 间 隙

距 离 （

mm

）

C. 极间障对间隙击穿电压影响。

针一板极，固定a=50毫米。正棒一

负板间加入极间障（纸屏），绘制u

=f（a1/a）曲线。

间隙位置a1（mm）40 30 25 20 15 10 5 2

间隙位置a1/a*100%

击穿电压（直流）

击穿电压（工频ef）

击穿电压（工频MAX）

D.所有上述实验结果，绘制在同一坐标纸上，以便比较。

五、实验注意事项

1. 合闸前应先查调压器是否在零位。

2. 任何调节间隙距离或改变接线时必须先行接地。

3. 检查接地棒（线）的接地是否可靠，注意电容器短时间接地后仍可能有残余电荷。

4. 任何事故下，首先切断电源。接地后方可接触设备以处理事故。

六、思考题

1. 如何绘制交直流高压测量校正曲线？

2. 用金属板代替极间障其后果如何？有何实际意义?

3. 极间障的厚度对放电电压有何影响？

4. 实验时是否要记录大气条件（气压、温度、湿度）？为什么？

实验二沿面放电及绝缘油击穿

一、实验目的

1、通过实验了解在绝缘截至表面的放电现象，观察三种典型绝缘结构放电过程中的电晕，滑闪放电介质表面完全放电现象。

2、用均匀升压法，求放电电压误差的分布曲线。

3、学会用标准油杯对变压器进行电气击穿强度试验方法。

二、理论简述

电力系统中所有的高压电器，如绝缘子、套管等是处在空气中绝缘的破坏往往首先是沿固体介质表面的空气击穿。因此对该类设备的沿面放电电压（或称闪络电压）应提出一定的要求，使在正常工作时不应因受过电压作用而发生闪络而导致电网的短路或设备的烧伤。

在均匀的电场中若置入一块介质，虽然介质的表面是沿电力线放置，但发现间隙的击穿电压会因介质的置入大为降低，这与下列的因素有关：

图a 图b

1. 由于介质与电极接触不紧，易导致整个间隙的击穿（图a）

2. 介质表面不平和边缘效应引起电场不均匀。（图b）

3. 介质表面有水份杂质引起表面电场的畸变，因而实质上二极间已是一不均匀电场。因而放电电压降低。工程实际中最常见的是图b情况下的沿面放电。这是一种不均匀的电场，其特点为沿介质的表面。即有切线方向也有法线方向的电场力作用。

沿图放电有两个阶段：当外加电压值由零值逐渐上升时，在电极附近即产生电晕，随着作用电压数值的上升，电晕变得更激烈，光带变的更亮。这一阶段的特点是电晕放电中火花的电压降较大（火花通道的电阻值较大）。因此放电不易迅速向前发展推移。当电压继续上升电晕放电继续发展，即转入沿面放电的第二阶段，此时有新的热游离因素占甚大的作用。新生离子数目剧增，固体介质表面的火花光线很亮，放电火花呈树枝状，随着电压的继续上升，火花将甚易地向前迅速推移，放电声音也与第一阶段不同，带有爆裂声甚响。这种现象标志滑闪放电形成。

热游离过程的发展程度与火花通道中的电流有很大关系，通道中的电流数值愈大，热游离发展必然愈剧烈，滑闪放电发展也愈快，二电极间的沿面放电电压也将愈低。 从图b 中也可以看出，流过介质表面单位长度的表面电阻R 的电流愈靠近电极就愈大。其中极附近的压降也最大。也易产生热游离正是由于表面电容C 的分流作用使得沿表面的电流分布不均匀，而表面电阻R 是均匀分布的，因而沿介质表面的电电压分布不均匀，C 愈大，压降愈大，则表面电流愈大，电压分布愈不均匀，沿面放电电压也就愈低。 绝缘子沿面放电电压（干闪电压）受到很多偶然因素（随机因素：如气压、气温、湿度、表面状况）的影响，呈现出明显的统计性质，因此确定绝缘子的干闪电压，需用统计的方法来处理实验数据，用均匀升压法求误差的分布曲线，将一绝缘子加上交流高压使其表面闪络，若做50次·······N 次，然后把实验数据由小到大排列分成若干组，每组间隔的u ?相等，若121u u u -=?间隔中有1n 即其概率为

1

n N

，若132u u u -=?，间隙中有2次，即其概率∞则可得到光滑概率密度分布曲线D 其上面数据取算术平均值。

1

1N N

j u uj ==∑平均

求出标准偏差δ?=

绝缘子闪络电压 3u u σ=+闪平均

u u

图C 图D 变压器油在运行中受到电场、温度、湿度、氧气、水分、杂质等作用。其性能会逐渐变劣。主要表现为颜色变深（由微黄变为褐棕色、透明度也显著降低），粘度变大，并有黑色油泥产生，这称为变压器油的老化。水份和杂质等东西的存在将油的电阻降低，tg δ上升，耐电强度下降。因此，运行中的变压器油必须定期试验，以保证电气设备的安全运行。

三、装置说明

1． 在平一板电极（薄铜板）上放一块玻璃板，在玻璃板中放一可移的圆柱形电极，再使电极经水电阻接到高压电源上（如图E ）进行测量沿面放电。

图E 图F

瓷管

图G

2. 在瓷管上安装好绝缘子形电极（图F）和套管形电极进行测量沿面放电。

3.用标准油杯测量变压器油击穿电压。

四、实验内容及方法

1.如图E观察在圆柱形电极周围发生电晕的开始电压（有声紫色光圈）和滑闪放到介

质表面完全放电的过程。

2.如图R、F、G接线，改变电极间的距离，求两极之间沿距离和击穿电压关系曲线

u=f（L+d），每点做三次取平均值。

3.按图E接线，把圆柱电极，玻璃板换成绝缘瓷瓶，然后作瓶的干闪电压，10次、

20次、30次，记录其击穿电压数据，出电压分布曲线。

4.在擦洗干净的标准油杯（电极距离为2.5mm）内注入变压器油至离杯口20mm为止。

静放10分钟，以消除油中存在的汽加压试验，共击穿5次。每次间隔1~3分钟，每次用干静棒除游离碳。

5.实验结果记录在下表：

实验数据处理和分析

1.几种形式的沿面放电的路径、特点各有什么不同？

2.绘制u=f（L+d）曲线和概率分布曲线。

3.计算绝缘子内干闪电压

4. 变压器油击穿现象和沿面放电有何不同？

思考题

1.空气击穿电压为什么较沿面放电电压高

2.提高提高沿面放电电压的措施有哪些？

实验三 介质损耗的测量

一、实验目的

1. 了解QSI 电桥的结构和使用时的注意事项

1. 掌握QSI 电桥正、反接的测量方法。测量绝缘子和变压的损正切角tg δ和电容量。

2. 了解电场干扰对tg δ测量的影响以及用倒相法消除电场干影响的原理。 原理接线图

T ——试验变压器 CX ——试品

CN ——标准电容器（50pf ）

G ——交流检流器 3R ——电阻箱

4C ——电容箱

E ——屏蔽

12P P ——放电器

电桥平衡条件：

43X N Z Z Z Z ?=? 计算可得

442tg fR C δπ=

取 4100000

3184()R π

=

=Ω

4C ——单位为微法时

4tg C δ=

4

3

X N

R C C R = 21

1tg δ

+

当

0.1tg δ≤时

4

3

X N

R C C R =

三、实验装置

1.QS 1电桥

图2为QS 1电桥线路图，电桥元件R 3、R 4、P 、N 、C 组成一整体置于金属盒内。因为在反接时这些元件均处于高电位。故对接地外壳和旋钮有绝缘支柱支持。

电阻N 为分流电阻，其值为100Ω，当试品电流小于0.01安时，将分流器旋钮开关放在“0.01安”位置处，如试品的电容较大，可预先测量其电流而将分流器旋钮调到适合的位置，此时R 3 + P 便接了一分流电阻，电桥平衡后，由电桥的R 3和C 4的指示值按下式计算:

()

()

433100x n

R R C C n R P +=+

图2 QS 1电桥接线图

P —放电器 R p —滑线电阻

2.标准电容器:

QS 1电桥所附的标准电容为空气电容器,电容量为50±1微法, tg δ＜＜0.1%,工作电压为10KV.

3．实验接线图