新型一体式电气设备绝缘强度实验平台的设计

“电气设备绝缘强度实验”是电气本科专业“高电压技术”课程的重要内容之一，主要包括工频交流耐压实验、直流耐压实验及冲击耐压实验，其教学目的是在于培养学生研究电力设备遭受交/直流过电压、大气过电压(雷击)时的绝缘性能，并培养学生高电压环境下的操作规范[1-3]。

目前，对本科生开设电气设备绝缘强度实验课程的高校较少，其主要原因在于缺乏合适的教学用电气设备绝缘强度实验平台。 要推动该实验科目的普及，就需要解决以下问题[4-5]:

(1)通用性。 “电气设备绝缘强度实验”科目包括交流耐压、直流耐压及冲击耐压实验。 如果每种实验科目分别使用不同设备，则会对实验场地、实验设备及设备经费带来较大的限制。 因此，将三种实验科目所需设备合三为一，形成通用的实验平台，必将极大缓解本科教学实验场地、经费问题。

(2)可操作性及安全性。 由于电气设备绝缘强度实验所需电压较高、升压设备操作复杂，且每种耐压实验的接线也不相同，这要求实验人员具备较高的专业素养。 如果采用传统的线连式接线方式，会带来可操作性差、安全隐患大等问题，不利于本科学生进行实验操作。 因此，采用可靠安全的接线方式、简单易行的升压操作方式，对保证学生人身安全及实验设备安全具有重要的意义。

(3)经济性。 电气设备绝缘强度实验本质上是一种破坏性试验，会对实验试品产生较大的损坏，这就要求实验试品在保证顺利达到实验教学目的的同时，尽量降低绝缘试品成本。

本文针对教学用电气设备绝缘强度实验平台需解决的问题，采用“积木拼搭”式结构设计耐压试验主回路，并结合教学与科研实验的需求研制了耐压实验操作台，构成一体式电气设备绝缘强度实验平台。 该实验平台采用先进的ARM 微处理器、高精度测量单元及电机拖动调压方式，配以菜单式人机交互界面，用以实现电气设备绝缘强度实验中电压计量、校准等，并能在实验过程中提供过流、漏电等保护功能，在实验教学和相关科研工作中取得了非常满意的效果。

1 电气设备绝缘强度试验原理

1.1 工频交流耐压试验原理

工频交流耐压试验是鉴定电气设备绝缘状况的最有效和最直接的方法，它可以判断电气设备能否继续运行，同时也是避免发生绝缘故障的一种重要手段。 交流耐压试验的电压波形、频率以及在被试品绝缘内的电压分布，均与实际运行情况相符，但所施加的试验电压却远比运行电压高。 由此可见，它是在比运行状态更为严酷的条件下对设备的绝缘水平进行检验，因此能有效地查出普遍性劣化和局部性缺陷两类缺陷，尤其对局部性缺陷，检查效果更为突出[6-8]。 工频交流耐压试验原理图如图1 所示。

图1 工频交流耐压试验原理图

图1中，工频交流耐压试验所用设备包括试验变压器、冲击/交流分压器、测量球隙、调压测量控制台及短路棒组成，球隙测量的是交流电压的峰值。

1.2 直流耐压试验原理

电力设备常常需要进行直流高电压下的绝缘试验，例如测量其泄漏电流。 当被试品电容量较大时，用交流高电压进行绝缘试验会有很大的瞬间电容电流，要求试验变压器有较大的容量。 因此，对于电力电缆等大容量的交流设备，常采用直流耐压试验来替代交流耐压试验。 随着超高压直流输电的发展，需要进行更多的直流高电压试验，例如:长空气间隙的直流放电性能、各种绝缘材料和结构在直流作用下的性能研究等等[9-10]。

直流高电压试验一般采用整流设备来产生直流高电压。 为获得较高的直流电压，本文提出的耐压试验系统采用由试验变压器、硅堆和电容器组成的倍压整流回路。 直流耐压试验原理图如图2 所示。

图2 直流耐压试验原理图

图2中，直流高电压试验所用设备包括试验变压器、整流硅堆、电阻分压器、测量球隙、调压测量控制台及短路棒组成，球隙测量的是直流高电压的最大值。

1.3 雷电冲击电压试验原理

雷电冲击电压试验既可用于研究电力设备遭受大气过电压(雷击)时的绝缘性能，又可用于电磁兼容研究及放电机理研究等许多方面[11-12]。 一般雷电冲击电压发生器要满足两个要求[11]:首先要能输出几万伏到几百万伏的电压，同时该电压要有一定的波形。 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的时间)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，累计频率为50%的波前和半峰值时间约为1.0～1.5μs 和40 ～50μs。 雷电冲击电压试验原理图如图3 所示。

文章来源：《高电压技术》 网址: http://www.gdyjszzs.cn/qikandaodu/2021/0710/662.html