高电压技术实验指导书

高电压技术实验指导书

高压实验室编写

目录

高压实验室实验规程 (3)

实验设备简介 (5)

实验一直流电场中空气间隙的放电特性 (7)

实验二沿面放电和液体、固体介质的绝缘强度

试验 (11)

实验三绝缘电阻的测量和直流泄漏试验 (21)

实验四介质损耗角正切的测量 (26)

实验五电缆中的波过程 (32)

实验六接地电阻的测量 (34)

实验七交流耐压实验 (38)

高压实验室实验规程

为了保障人身及设备的安全,凡进入高压实验室进行试验或工作以前,必须仔细学习本规程并在实验或工作中严格遵守,以确保设备及人身安全。

1、在做实验前，同学必须先预习并掌握实验指导书中的内容，实验前由指导教师提问，无准备者不得做实验。

2、实验前每组必先选一位同学为组长，负责指挥全组同学的实验，如负责研究确定实验方案、人员的分工和实验进行过程中的安全等事宜。

3、未经许可，不得动用实验室的设备、仪表、未熟悉本规则及各项设备操作程序者不得进行实验。

4、实验前，应先熟悉设备及线路，检查设备及仪表有无损坏，实验前或实验中如发现损坏，立即报告指导教师。

5、严格执行监护制度，任何人在无监护人时不得进行高压试验工作，监护人发现有不熟悉或违反操作顺序时，有权停止其试验工作。

6、在合电源以前，应先仔细检查线路是否正确，接地是否可靠，各不同电位部分之间的安全距离是否足够，然后再请指导教师检查。在未经指导老师许可以前，不能私自接通电源。

7、接线经指导教师检查无误后，撤除高压部件（变压器、电容器、电缆等）上的接地线，人员撤出安全围栏关门后，方可接通电源，在合电源时，必须招呼全组同学“注意！合电源！”在合电源后加高压前再招呼“高压有电！”务必使全组同学都能听到，方可以合高压电源，然后按操作顺序进行操作。

8、在实验中操作电源者，应该随时注意电表读数，不得离开岗位，亦不得与旁人闲谈。如发现异常现象，应立即拉开电源，有问题需要讨论时，也应首先切断电源开关。

9、在实验中不得接近高压电源和带电设备，保持必要的安全距离、以免发生危险。为此，在高压设备周围设有安全遮栏，试验人员应站在遮栏之外，但不允许将头或手伸入安全遮栏内。

10、改动接线或更改试验设备前，应先拉开电源，同时将接地棒挂于具有电容的变压器、球隙、电容器等设备上全部进行放电，并加以接地。在未亲眼见到接地前，不得接近或触及高压设备。

11、在实验中如发生事故或异常现象时，应立即切断电源，检查线路和设备，当发生不幸的人身事故时，应立即采取措施进行急救。

12、试验完毕后，必须将全部高压设备用接地棒放电并接电，尤其是做电容器和电缆的试验后，务必仔细放电，然后拆除接线，并将试验场所恢复整齐，并将设备仪器及被测物品整理好，经指导教师检查后，方可离开实验室。

13、使用调压设备时，每次加高压前必须检查调压器是否在零位，防止在未退至零位时就投入高压电源而产生冲击，损伤试验设备的绝缘和得到不正确的试验结果，每次切除高压时，必须将调压器退至零位，避免产生冲击损坏设备和防止下次通电时突然加上高压。

14、做高压实验时，必须严肃认真，每个人必须注意自己的动作，同时也得照顾旁人的动作，以免发生危险。

15、每次实验时，应有记录人，记录要整齐清洁，实验完毕后要请指导教师签字，签字完毕才能拆线，如有问题需要重做。

16、凡进入高压实验室进行实验的同学，必须遵守纪律，遵守实验室规则和一切操作程序，保持实验室整洁，服从指导教师指导，违反者暂时停止其实验，使其认识和改正错误后再恢复实验。

高压实验设备简介

一、高压实验控制箱

1概述

高压试验控制箱，是一种适合现场进行交流耐压试验调节试验电压的设备，加压时具有零位保护；试验过程中具有过电流保护：当试品击穿时，具有瞬间切断电源的保护功能，有效防止击穿点的过份炭化，同时我们可以根据被试品在试验电压作用下电容电流的大小，选择合适的过流保护整定。本控制箱专门用来进行多种电压等级的直流耐压试验、直流泄漏电流试验，金属氧化物避雷器试验，绝缘油击穿试验等，本产品具有体积小、重量轻、搬运方便、性能可靠等特点。供企业和大中型工矿企业高压试验室（班）必不可少的试验设备之一。

2、技术数据

（1）使用条件：环境温度0~40摄氏度

相对湿度90%

（2）供电电源：220V 10%，50HZ

（3）调压器：5KV A，220/0—250V

（4）测量精度：1.5%+0.5

3、一般操作步骤

a)正确完成全部接线，控制箱必须可靠接地，如果不接地，本控制箱不能工作。

b)对试验接线进线认真检查，调压器应在零位，因为内设调压器零位开关，如果不在零位，控制器不能工作。

c)过电流保护设定开关，根据需要拨换至合适档位，时间继电器整定至所需时间。接通220V电源，使电源进线有电，合上电源刀闸，绿灯亮，表示电源有电。

d)按下“开”按钮，交流接触器动作，调压器进线侧有电。

e)均匀缓慢调节调压器操作手柄，使输出电压表指示值达到预定值，在升降过程中并监视输出电流表，使其不超过控制值。

f)如需计时，当试验电压达到预定值后，立即接通时间继电器开关，时间继电器开始计时时，也可用码表等其他计时方式。

g)按下“关”按钮，接触器失电，调压器手柄返回，拉开电源刀闸。

h)切断进线电源。

i)在试验过程中，如发现击穿信号灯亮，说明被试器已击穿，在升压过程中发现击穿现象或不需要计时的试验击穿（如油击穿试验，FS型避雷器等）击穿信号灯不会亮。

FU1,FU2 熔断器 K 交流接触器及其触点

TY 调压器 HY 电流互感器

A 电流表 GL 电流继电器及其接点

HD 红灯 LD 绿灯

FM 蜂鸣器 SJ 时间继电器

J1 中间继电器

1 零位按钮

2 合闸按钮

3 分闸按钮

4 复位按钮

实验一直流电场中空气间隙的放电性

一、实验目的

1、了解产生直流高压的基本设备及其所组成的试验接线方式和操作方法；

2、研究电场的均匀程度对气体间隙击穿电压的影响；

3、研究在极不均匀电场下，电极极性对空气间隙击穿电压的影响；

4、了解极间障对极不均匀电场击穿电压的影响。

二、实验的基本原理

在实际工程应用中，许多电气设备都利用空气作为绝缘介质，因此，对空气间隙的抗电强度和击穿特性的研究在高压技术中具有一定的实际意义，一定距离下空气间隙的击穿电压和空气间隙的电场分布（均匀或不均匀、对称或不对称）、电压作用时间、电压极性、大气条件等一系列因素有关，这些影响因素十分复杂，很难用明确的数学解析式表示，所以在工程上常常是以实验的方法来确定空气间隙的抗电特性，一般采用针——板间隙来模拟不均匀电场的空气间隙，用对称球——球间隙来模拟均匀电场的空气间隙。通过测定这两种间隙在不同电压作用下的击穿特性，以决定空气间隙在实际工程中各种击穿电压和电气设备的安全距离。

1、电场均匀程度对击穿电压的影响和极性效应

图1不同电极下空气间隙的放电电压u与间隙距离d的关系曲线

曲线1为球隙的关系曲线；曲线2为负针正板的关系曲线；

曲线3为针针的关系曲线；曲线4为正针负板的关系曲线；

在均匀或稍不均匀电场的空气间隙中，电场分布比较均匀，不会发生局部放电现象，其电晕起始电压与击穿电压相等，其击穿场强较高，约为30KV幅值/CM左右；在对称的极不均匀电场（针——针间隙）中，电极端部的电场很强，其电晕起始电压比击穿电压要低得多，由于受空间正电荷的影响，在负针处首先出现电晕放电，由于这种间隙电极对称，故电极极性对击穿电压没有影响，其击穿场强，比均匀或稍不均匀电场要低得多。在不对称的极不均匀电场（针——板间隙）中，其放电过程总是从电场强度最大的地方开始，与电极极性无关，但击穿电压则显著地受极性影响，呈现出很强的极性效应，如图1的试验曲线所示。

极不均匀电场针——板电极的击穿电压，当针尖为负极性时比正极性时要高得多。这是因为针尖附近电晕圈中的正空间电荷对两种电场起着不同的作用。在负针正板间隙中，引起碰撞游离的电子向正极运动，针尖附近的正空间电荷起制动作用，正离子迁移率小，滞留在间隙中的正空间电荷产生的附加电场在间隙深处与原电场方向相反，削弱原电场，电子运动速度减慢，而使游离不易发展，即不易形成流注而击穿，故击穿电压较高；但正空间电荷产生的附加电场在针附近与原电场方向一致，加强原电场，使针尖附近的游离更易发展而形成局部的自持放电，故电晕起始电压较低。而在正针负板间隙中，空间的正电荷则起了减弱针尖端电场，加强间隙深处电场的作用，促使流注易发展而局部放电困难，故在这种电极情况下，电晕起始电压稍高而击穿电压较低。而针——针间隙、两电极对称、击穿电压则介于两者之间。

2、极不均匀电场中，极间隙对击穿电压的影响

在针——板空气间隙中旋转一薄层固体介质作成极间障，则带电质点的运动在该处受到阻碍，附着在极间障上的带电质点和空间电荷将使极间障两侧间隙的电场发生变化，极间隙对极板间的电场将变得比较均匀，而极间障与针尖间的电场变化情况则与针极极性和极间障之间的位置有关。在针极为正时，空气间隙的正离子在向负极运动时受到极间障的阻挡而停留在极间障上，由于某种原因同性电荷互相排斥，使正离子在极间障上的颁布大致均匀，使极间障与板极之间的电场变得比较均匀；而在针极与极间隙中的最佳位置（电晕圈边缘处）时，可提高击穿电压3倍左右。当针尖为负极时，极间障处在不利位置时，由于针尖与

极间障间的电场加强，此处的空气间隙首先击穿，从而导致整个间隙的击穿，甚至会使击穿电压降低。

三、实验接线

气体间隙放电试验接线图

T—高压试验变压器；R—限流电阻；D—高压硅堆；C—滤波电容器;

V—电压表；M—球队球电极；N—针对板电极。

四、实验内容：

1、确定球——球电极间隙的击穿电压和间隙距离之关系曲线。

2、确定针——板电极间隙的击穿电压和间隙距离之关系曲线。

（1）当针为正极性时

（2）当针为负极性时

3、观察上述各种情况下的电晕起始电压。

4、在正针负板间隙中保持极间距离a为4厘米时，在针板电极间加入一薄层固

约为1厘米时，测定体介质（称为极间障），如图所示，极间障离针端的距离a

其击穿电压，以分析极间障的作用。

5、观察在各种电极情况下的放电现象。

6、记录设备铭牌及环境条件。

五、实验注意事项

1、合闸前应先检查调压器是否在零位。

2、每次触及试验设备时，必须先挂好接地棒，在试验前必须先检查接地棒的引接线是否可靠接地，特别注意：电容器在短时放电后仍有残余电荷，故在试验完毕后必须先把接地棒挂在电极两端，才能更新电极距离，变更后要拆除接地棒后才可重新加电压。

3、在实验中不得接近高压电源和带电设备之周围，保持必要的安全距离，以免发生危险。

六、实验报告

1、实验数据p= mbar； t= ゜C； f= %

2、整理实验数据，并进行大气条件的校正。

3、根据所得数据，作出U=f(a) 的曲线

4、对实验中观察到的现象和实验结果进行分析，讨论心得体会和存在的问题。

实验二沿固体介质表面的放电和液体、固体介质的

绝缘强度试验

一、实验目的

1、通过实验观察沿固体介质表面的空气的放电现象

2、研究沿面放电电压与放电路径的关系。

3、用均匀升压法，求放电电压误差的分布曲线。

4、学会测定变压器油绝缘强度的试验方法。

5、观察油中纤维杂质在电场作用下形成“导电小桥”的过程和对油绝缘强度的

影响。

6、学会测定固体介质绝缘强度的试验方法。

7、研究浸油对提高固体介质绝缘强度的作用。

二、基本原理

1、观察沿固体介质表面的气体发生的放电——沿面放电

所有的高压电器，绝缘子及其它设备的构造在设计时均应考虑在运行中不允许发生沿绝缘体表面的放电现象，因此，了解绝缘介质的沿面放电现象是具有实际意义的。

我们必须注意的是在相同的电极及极间距离时，沿固体介质表面的沿面放电电压较纯空气间隙的击穿电压为低，这是由于在介质内部的体积电容和体积电导起分流作用的原因，仔细分析套管的等值电路。在两电极上加上一个交流电压，则沿介质表面将会有电流渡过。由于体积电容C和体积电导r的存在，使介质表面流过的电流分布不均匀，越靠近上电极处，电流越大，单位距离上的压降也就越大，因此，在上电极附近的表面承受的压降最大。在电极间的电压不很高时，就有可能使该处的压降超过其绝缘强度，发生局部击穿，产生电晕放电；随着外加电压的继续上升，放电继续向另一电极发展，形成了由许多伸向前方的互相平行的细火花线条组成的光带，这些细线状光带比电晕亮一些，其特点为放电通道的电流密度较小，压降较大，具有辉光放电的性质；当两极间电压继续上升，线状火花中的带电质点被电场的法线分量紧压在介质表面上，在切线分量的作用向前运动，使介质表面局部发热，当电压增加到某一临界值时，在火花通道中个别

地方的温度可能很高，达到能引起气体游离的程度。热游离使通道中的带电质点急剧增加，电导猛烈增大，通道头部电场增强，通道迅速向前发展，形成光亮较强的树枝状火花。这种树枝状火花此起彼伏，很不稳定，称为滑闪放电；当电压升高到滑闪放电的树枝状火花到达另一电极时，就产生沿面闪络，介质就失去了绝缘性能。

支持绝缘子电场的垂直分量较小，放电过程中不会出现热游离现象，故没有明显的滑闪放电。

如前所述，由于体积电容C和体积电导r的存在，在交流电压作用下，沿固体介质表面的电压分布是不均匀的。在电极附近表面承受的电压降最大介质表面情况越恶劣，首先就被击穿，电极就延伸到被击穿的部分则全部电压加在剩下的部分又使靠近电极附近的那段击穿，这样恶性循环下去，便沿介质表面全部击穿，介质就失去了绝缘性能。

介质表面的沿面放电电压与放电路径长短有关，沿面放电路径越长，体积电容C和体积电导r的分流作用越大，沿固体介质表面的电压颁布越不均匀，沿固

概率密度方格图

体介质表面的空气和抗电强度越低。在同一放电距离时，介质的沿面放电电压还受到许多偶然因素（随机因素:如气温、气压、湿度、表面状况、脏污、光滑度等等）的影响，呈现出出明显的统计性质，因此确定固体介质的沿面放电电压（如绝缘子的干闪电压），须用统计的方法来处理试验数据，如果试验几次（10次、20次、30次），将其分组，分组间隔，沿面放电电压间隔中共有次放电，则其概

率为，放电电压之间者有次放电，其概率为，余类推，可画出上图，称为概率密度方格图；当试验次数无限增加，取得足够小时，就可得到光滑的曲线，下图称为概率密度分布曲线。

概率密度分布曲线

上面试验数据如用其算术平均值，然后把每次试验数据与平均值相比较称为试验误差，把误差用上面同样的方法做出概率分布曲线，则其曲线与上图相似。

2、变压器油的绝缘强度试验

变压器油是从石油中提炼出来的，其用途十分广泛，它不但广泛的用作电气设备的绝缘介质，而且还常用作冷却剂和消弧剂，因此对它的一系列物理、化学性能均有一定的要求。电气设备的额定电压等级越高，容量越大，对其绝缘性能的要求也越高。

变压器油与气体相比，有较高的绝缘强度，它的击穿场强比空气要大得多，纯净的变压器油的绝缘强度更高。但工程上用的变压器油不可能非常纯净，它总或多或少的会有一些气态、液态和固态杂质，完全清除油中的杂质是不可能的，在运行中某些杂质还会重新由外界侵入或从油本身中分解产生出来，这些气态、液态或固态杂质在电场作用下，会在两极间逐渐排列成“导电小桥”。从而导致变压器油的击穿，使变压器油的绝缘强度大大降低。即使少量的杂质，也可使变压器的绝缘强度降低很多。因此，定期地对变压器油进行绝缘强度试验，监督油质的变化是电气设备绝缘预防性试验的一个重要项目。

3、固体介质的绝缘强度试验

在高压设备中，常采用固体介质作为绝缘和支撑材料。固体介质在电场作用

固体介质的伏安特性

下的伏安特性曲线如图所示，从图中看出：oa段介质的特征是它的电导与外加电压无关。当电压更高时，ab段，电导慢慢加直到曲线b点，从b点开始曲线较快地向上升，而在点c以后转向左面，这是因为电阻随着电流的增加而显著地减少,因此在两电极间电压降落减少。在比c点更小的电压下，介质中将没有剩余变形存在，此时，介质保持着绝缘性能，若施加相当于c点的电压时，当电压除去后，介质仍保持着由于电场存在时在它里面所引起的变形，介质就失去了绝缘性能，即介质击穿。相当c点的电压和电场强度即介质的击穿电压和击穿电场强度。

固体介质击穿后，出现烧焦或熔化的通道、裂缝等，即使去掉外施电压，也不象气体、液体介质那样能自己恢复绝缘性能。

固体介质的击穿可分为电击穿和热击穿二种。在交流电压作用下，一般发生热击穿。当固体介质在电场作用下时间较长时，由于在电场作用下的介质损耗使绝缘介质内部发热，温度上升，与此同时也向周围散热，若发热量大于散热量，则温度将继续升高，这时介质损耗也随温度升高而增加，随着内外温差的加大，散热速度也在增快，但若所加电压足够高，使发热量一直大于散热量，温度持续上升，最后由于温升过高导致绝缘特性完全丧失而被击穿。若电压不够高，在绝缘能耐受的温度下建立了热平衡，热击穿就不会发生。当绝缘中有局部弱点时，特别是贯穿性弱点，局部的损耗增大，该处温升显著增高，击穿就将发生在这局

部弱点的地方。热击穿电压与环境温度有关，环境温度越高，散热越不容易，则击穿电压越低，与电压作用时间有关，加压时间越长，击穿电压越低；与电压频率有关，频率越高，介质损耗越大，热击穿电压越低；还与周围媒质的散热能力和散热条件以及与绝缘本身的导热系数、tgδ、电阻率和绝缘厚度等有关，当绝缘厚度增大使散热条件变坏，热击穿场强将下降。

纤维绝缘材料，由于多孔性，其击穿场强较低，纤维材料浸渍油（或绝缘漆）后，孔隙被油填满，改变了电场分布，加上油的绝缘强度比空气高，可大大提高其击穿电场强度，故纤维材料均浸渍使用。

三、试验接线图

沿面放电试验接线图如下

其中：T—高压试验变压器；R—保护用水电阻；

四、实验内容及方法

1、按上图接线，被试验物为在一块接地的铜板上放一块玻璃板（其厚度为t），在板的中间放一可移动的圆柱形电极，将此电极经水电阻接到高压电源上。

为了观察沿面放电现象，试验需在暗室中进行，试验时为了使试验者的眼睛仍适应黑暗，所以试验要在关灯后5分钟才可开始。

逐渐升高被试电极上的电压，观察在圆柱形电极周围发生电晕的开始电压（有声和紫色光圈）和滑闪放电到介质表面完全放电的过程。

2、仍按上图接线，改变圆柱形电极在玻璃板中间的位置（距玻璃板边

缘的最小尺寸为a）,求两极之间的沿面距离与沿面放电电压的关系曲线。（注意每点做三次，取其平均值）。将试验结果换算为标准大气条件下的情况。

3、把上图的圆柱形电极、玻璃板、铜板去掉，换成支持绝缘子，然后逐步升高被试支持绝缘子上的电压，观察在绝缘子上下极周围发生电晕的开始电压（有声和紫色光圈）和滑闪放电到介质表面完全放电的过程。测量支持绝缘子的干闪电压40次，记录其干闪电压数据，画出概率分布曲线。

4、测量变压器油的绝缘强度。

（1）、取样：油样必须能代表变压器油的真实状况，故取样应十分细心，取油样的盛器最好是容量约1公升带有软塞的专用大口玻璃瓶，采用四氯化碳或汽油洗净，烘干后备用。

耐压试验油样应在半公升以上，如同时需做其它试验时，则应在1公升以上。

取样时，应注意不让水份、灰尘等外界物混入油样中，试油杯应先用油样冲洗三次，然后将油样注入杯中静置1分钟，让油里的气泡跑出来再开始试验，油面离电极的距离应在15mm以上。

（2）、根据我国部颁标准进行变压器油的绝缘强度试验，将试油杯（如图所示）的二电极接到高压电源上，然后以3000伏/秒的速度（此速度会随着油的品质而变小）升压，到发生击穿为止，试记录击穿时的电压值。在试验时，可能在油间隙中产生个别的不是连续的火花放电，这是不算击穿的只有当连续放电时，才能算击穿，击穿后迅速将电压降低到零，静止五分钟后，再升压到击穿，如此重复六次，第一次击穿值不算，取后面的五次，取其平均值，即为被试变压器油的耐压值。

5、固体介质的绝缘强度试验

固体介质是电气设备最基本的绝缘材料，电气绝缘强度是一切绝缘材料最重要的性能之一，一、按照施加电压的方式可将固体介质的绝缘强度试验分为三类：

A 工频电压下：短时的、一分钟的及长时间的

B 直流电压下：短时的、一分钟的及长时间的

C 冲击电压试验

固体介质试验用电极

本实验只做工频电压作用下短时的与1分钟的击穿试验，做试验的电极形状如上图所示。电极用铜或黄铜制成圆柱形，直径D为50（或25+0.5mm）。

短时试验的进行方法是电压均匀地以1千伏/秒的速度从0开始升压，直到击穿电压如千伏，则应降低速度，使加压时间不小于10秒，这样得到的击穿电压，称为短时试验击穿电压。

一分钟试验的进行方法是在被试品上瞬时加上等于短时试验击穿电压40%的电压，保持一分钟，然后根据下表隔一分钟升高一次电压，直至击穿为止，加压一分钟而未发生击穿的最高电压即为一分钟试验击穿电压。

（1）取5层电缆纸（或青壳纸）为被试固体介质，用50毫米直径的圆柱形电极进行短时击穿试验，取三次的平均值，量出纸的厚度，求出5层电缆纸的击穿电压，并算出其击穿电场强度E。

（2）取5层电缆纸（或青壳纸）为被试品，用50毫米圆柱形电极进行一分钟击穿试验，取三次的平均值，求出5层电缆纸的一分钟击穿电压和一分钟击穿电场强度，并与（1）中5层的U与E进行比较。

（3）将电缆纸（或青壳纸）浸油后再进行短时击穿试验，并将试验结果与（1）中层数相同者加以比较。

五、实验报告

1、试验数据：

（1）介质的沿面放电试验

（2）支持绝缘子的干闪电压试验U千伏

（3）变压器油的绝缘强度试验：

（4）固体介质的绝缘强度试验：

2、绘制曲线：u=f(s) p=f(u)

3、分析试验中观察到的现象，分析试验结果，讨论心得和存在的问题。

六、注意事项：

1、沿固体介质表面的放电。

（1）进行试验前，必须将电极与介质表面擦干净。

（2）当间隙击穿后应立即切断高压电源，以免长时间通过短路电流烧坏试验变压器。

（3）每次触及试验设备前，必须先挂好接地棒，在试验前必须先检查接地引线是否可靠的接地。

（4）试验时的放电电压值不得超过试验变压器的额定电压。

（5）使用调压设备时，升压必须从零开始，做完试验后，应将调压器回到零位。

2、变压器油的绝缘强度试验

（1）脏污杂质对油的绝缘强度影响极大，故在整个试验过程中应特别注意这一点，在洗涤容器、试油杯、电极、玻璃棒时应严格注意这一点，并应注意容器口上是否已干净。注意室内是否有灰尘逐渐落入油内，注意呼吸中的水汽浸入，在不试验时，盛油器要用玻璃板盖好。

（2）每次击穿后，静止5分钟再进行试验。

（3）加电压时，升压必须均匀，按规定进行升压。

3、固体介质的绝缘强度试验

（1）电极表面及介质表面必须干燥、清洁。

（2）上下两电极必须对正。

（3）试样应比电极大，以免发生沿面放电。