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[油分析专区] 绝缘液体雷电冲击击穿电压测定法

发布时间：2009/6/8 阅读次数：1170 字体大小: 【小】【中】【大】

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绝缘液体雷电冲击击穿电压测定法

DL 418—91

中华人民共和国电力行业标准

DL 418—91

绝缘液体雷电冲击击穿电压测定法

中华人民共和国能源部1991-10-04批准 1992-04-01实施

本标准参照采用国际标准IEC 897(1987)《绝缘液体雷电冲击击穿电压测定法》制订的。

1 主题内容与适用范围

本标准规定了两个试验方法，即方法A和方法B，用来评定绝缘液体在不对称电场中经受标准雷电冲击的电气强度。

方法A——步进试验法：用来提供在特定条件下，绝缘液体雷电冲击击穿电压的估计值。

方法B——序贯试验法：这是一种统计试验法，用来检验绝缘液体在某一给定的雷电冲击电压作用下的击穿概率的假设。

本标准适应于使用过的和未使用过的绝缘液体。被试绝缘液体在40℃时的粘度应低于700mm2/s。

两种方法均可使用正、负两种极性的冲击。但用于判断化学组份对绝缘液体雷电冲击击穿电压的影响时，用负极性冲击为宜。

此两种方法主要用于建立评定绝缘液体雷电冲击击穿电压的标准程序。它们均可用来判断绝缘液体的耐雷电冲击特性和由于生产工艺改进、组份发生变化或油源不同时，雷电冲击击穿电压值的变化。

2 引用标准

GB 311.1～311.6 高压输变电设备的绝缘配合

GB 7597 电力用油(变压器油、汽轮机油)取样方法

3 意义

3.1 在电气设备中使用的绝缘液体，运行中可能要承受叠加于工频电压之上的瞬态操作电压或雷电冲击电压的作用。

这样的瞬态电压无论是单向的还是振荡的，其结果必将是一个正极性或负极性的瞬态电压作用过程。因此，应该知道绝缘液体在这些条件下的特性。

然而，在试油杯中用针-球电极进行实验，要得到冲击击穿电压与实际绝缘系统中绝缘液体的击穿性能之间的关系，还需要做更多的工作。

3.2 绝缘液体的冲击击穿是一个至今尚未弄清的复杂现象。概而言之，击穿需要激发和预击穿扰动的传播(流柱)。

由于击穿电压取决于电压波形、电压作用时间和电场分布等因素，因此，为得到有可比性的结果。所有这些因素都要有明确规定并要严格控制。尽管如此，其结果仍可能产生较大的分散性，可认为这种分散性与预击穿机理的随机性有关。

图 1 试油杯结构图

1—标准厚度规；2—有机玻璃罩；

3—有机玻璃筒；4—针极；5—钢球；

6—磁体；7—有机玻璃座

3.3 在对称电场中，击穿特性不受施加电压极性的影响；但在不均匀电场中，施加电压的极性对击穿特性却有显著的作用，特别是对针-球电极，其极性效应尤为显著。实践证明，在这种电场分布中，液体的化学成分对负冲击击穿特性起主要作用。

因此，为了区分不同绝缘液体中化学组分的影响，应使用上述的针-球电极结构。

3.4 冲击击穿电压取决于波头时间，因此，上述方法规定只能用1.2/50μs的标准波。

3.5 与工频击穿电压不同，针-球电极的冲击击穿电压，一般情况下与水分、颗粒等各类杂质含量无关。因此，只要杂质含量不超过液体的可使用极限即可，此处不做特殊规定。

4 仪器

4.1 冲击电压发生器

冲击电压发生器应能产生“正”、“负”极性可调的标准雷电全波(1.2± 30%/50±20%μs)；冲击电压发生器的额定电压应不小于300kV；输出能量在 0.1～20kJ之间(用较小输出能量的为宜)。冲击电压发生器最好带有点火球隙，以便控制升压时的步长。

4.1.1 冲击电压值的调整。冲击电压峰值可用精确度为1%的手动充电装置进行调整，用精确度为±0.5%的自动触发装置来进行调整就更好了。

4.1.2 冲击电压的测量。冲击电压应根据国家标准GB 311.1～311.6中的“第三部分测量装置”的规定来进行测量。测量时，用经过精确校准的电阻分压器与峰值电压表配合使用比单独使用示波器优越。测量系统可按规定用球隙法校正，冲击电压峰值测量误差应不超过3%。

4.2 试油杯

试油杯结构图见图1，它应满足以下要求：

4.2.1 由一装有垂直电极间隙的容器组成，该容器应可盛装约300mL液体。其金属部件仅限于电极及其支撑部分，其余部件最好采用透明材料。

4.2.2 应易于安装、拆卸和清洗，且不漏油，易于更换电极，其尺寸应保证油杯外部的闪络电压大于250kV。

4.2.3 所用绝缘材料必须有较高的介电强度，在80℃温度下耐热性稳定，能与被试绝缘液体相容，能耐溶剂及一般清洗剂。

4.2.4 电极间隙由可调节距离的针-球结构构成，球电极采用直径为12.5～13mm经抛光的轴承用钢球。它由一个固定在支座上的磁铁定位。针极采用尖端曲率半径为 40～70μm的钢针，用显微镜来检查尖端的形状和曲率半径，两电极同心度要好，附录B给出了测量曲率半径的一种方法。

5 试剂

正庚烷：分析纯。

6 准备工作

6.1 采样

根据GB 7597进行绝缘液体的样品采样。

6.2 油杯的清洗

试油杯的所有部件(包括球电极和针电极)都应该用正庚烷除油污。再用洗涤剂清洗，然后，依次用自来水、蒸馏水冲洗。最后用无油干燥压缩空气干燥各部件，亦可放在干净的烘箱(温度不高于80℃)内烘干，并保存在干燥器内备用。

按上述步骤所准备的油杯即可用于试验。在新样品进行试验以前，重复上述清洗程序。

6.3 试验的准备

6.3.1 试验前，先按6.2条中所述方法备好试油杯和电极。

6.3.2 试样在试验室内放置一段时间，待油温和室温相近方可试验，室温为15～30 ℃之间为宜。试样注入油杯时，应缓缓沿油杯内壁流入，注意切勿有气泡产生。

6.3.3 调整电极间隙距离。首先轻轻地将两电极接触。可用欧姆表检查其是否接触。然后，将上端针电极提起，插入误差不大于0.1mm的标准厚度规，固定针电极到所要求的间隙位置。冲击电压发生器的输出施加于针电极上端，球电极下端接地，接地线要尽量短。

7 方法A——步进试验法

7.1 方法概要

将一个1.2/50μs的标准雷电冲击电压，通过针-球电极系统施加于被试绝缘液体。按一定级电压逐步升高施加电压，直至击穿发生。共取得五个击穿值，取它们的算术平均值作为该试样的雷电冲击击穿电压值。

7.2 试验步骤

7.2.1 按6.3条要求做好试验前的准备。试验开始前，液体样至少静止5min。

7.2.2 根据表1按电极间隙为15mm时的预期击穿电压值(Ue)，选择合适的试验起始电压值(Ui)、级电压和电极间隙。

表 1 起始电压和间隙的选择

注：为了便于比较不同的变压器油，建议对国内使用的变压器油的电极间隙，在负极性下采用15mm，在正极性下采用25mm。

7.2.3 首先施加起始电压Ui(选定极性)，然后逐级升压，直至击穿。在每级电压水平上仅对试样施加一次冲击，在所施加的两次冲击电压之间至少应间隔 1min，直至击穿。

7.2.4 重复7.2.3条步骤，直至得到五个击穿值。每次击穿后，更换试样，更换针极并转动球极，球极经五次击穿后也要更换。

7.2.5 在发生击穿之前，试样至少已接受了三次冲击试验才算有效。若击穿发生在三次冲击之前，则应根据情况将起始电压降低5kV或10kV重新进行试验。

7.2.6 记下五次击穿时的各电压峰值，将其算术平均值作为击穿电压值。

7.2.7 当试样的击穿电压Ue不能预先确定时，则使用15mm的间隙50kV起始电压和10kV级电压。

如果用15mm间隙时，试样的击穿值高于油杯的闪络电压(约250kV)，则将间隙减到10mm。必要的话，还可减到5mm。

7.3 精密度

用下述规定判断测定结果的可靠性(95%置信水平)。

重复性：同一样品重复测定的两个结果(五次击穿电压的算术平均值)之差，不应大于两个结果的算术平均值的7%(负极性)和15%(正极性)。

再现性：不同试验室对同一样品分别提出的两个结果(五次击穿电压的算术平均值)之差，不应大于两个结果的算术平均值的10%(负极性)和30%(正极性)。

若两个试验结果之差超出所给数值，则需重新试验，并校准仪器。

7.4 报告

a.本标准的编号及所用的方法。

b.样品牌号、试验室温度、湿度。

c.电极间隙距离。

d.冲击电压的极性、起始的峰值电压和级电压。

e.每次击穿时的峰值电压。

f.平均击穿电压

 g.平均标准偏差。

式中：Xi——第i次的击穿电压，kV。

8 方法B——序贯试验法

8.1 方法概要

对某种绝缘液体施加一雷电冲击电压，当其峰值接近于方法A所测得的击穿电压时，可能使该绝缘液体发生击穿，也可能不发生击穿。因此，应引入击穿概率P 的概念，它是未知的冲击电压U的函数。

序贯试验法是把试样的雷电冲击电压击穿概率P与一个任选值进行比较(此任选值可设为P0)，并检验零假设H0：P≤P0对备择假设H1：P＞P0(见附录A)。本方法是对被试验绝缘液体多次重复施加恒定峰值的冲击电压，直至出现击穿。然后，再更换样品，重复进行上述试验，并将结果画在判定图上(见图2)。上述试验进行到作出拒绝或接受零假设(H0)为止。若完成了85次冲击后，仍得不出结论时，则需降低电压，重新试验。

图 2 判定图

8.2 试验步骤

8.2.1 用适当的p0值和附录A规定的参数值画出判定图。

8.2.2 选择雷电冲击电压峰值U0(可用比由方法A确定的平均击穿电压低两个级的电压值)，并调整冲击电压发生器输出为U0。

8.2.3 按6.2、6.3条规定准备好试油杯并调节电极间隙到所要求的值。

8.2.4 待被测试样至少静止5min后，施加第1个已选定极性和峰值U0的冲击电压，若此时击穿未发生，至少待1min后，再加第2次冲击电压，直至击穿发生。

8.2.5 在每次击穿后，更换试样，更换针极并转动球极，球经5次冲穿后也应更换。

8.2.6 将每个样品每次击穿放电与所加冲击次数的结果画在判定图上。

8.2.7 当描出的试验曲线落在D1和D2两直线所夹区域时则不能判定，必须继续试验。一般，当施加85次冲击后仍作不出决定，则应在降低5kV或10kV电压水平后重新试验。

如果试验曲线与D1相交，则接受零假设H0：P≤P0。

如果试验曲线与D2相交，则拒绝零假设，而接受备择假设H1：P＞P0。

8.3 报告

a.本标准的编号及所用的方法。

b.样品牌号、试验室温度、湿度。

c.电极间隙距离。

d.冲击电压的极性和选定的冲击电压峰值。

e.选取的统计参数。

f.判定图和试验结果。

g.结论。

附录 A

序贯试验法简介及判定图的构成法

(参考件)

A1 本附录简述了序贯试验法的原理并给出了画判定图的方法。

A2 符号说明：

P(U)或P：在冲击电压为U时，绝缘液体的标准雷电冲击击穿概率。

P0：对应于可接受的质量标准的任选击穿概率。

P1：低于P0的击穿概率，该值的选择考虑了所加试验电压的精确度等影响因素。

P2：高于P0的击穿概率，该值的选择考虑了所加试验电压的精确度等影响因素。

H0：零假设：P≤P0。

H1：备择假设：P＞P0，此假设相对于零假设。

α：H0为真，拒绝H0的概率。

β：H1为真，接受H0的概率。

n：施加的冲击次数。

dn：施加n个冲击后观测到的击穿放电次数。

An：接受数。

Rn：拒绝数。

注：P的数值在任何情况都难以得到，序贯试验的目的不是要确定这个概率，而是要在工业实践中通过一个加速程序与一确定的概率P0相比较，对绝缘液体给出一个令人满意的耐雷电冲击水平的信息。

A3 方法简介及判定图绘制法：

A3.1 本附录中分析绝缘液体击穿概率问题是一个假设检

验问题。是在对试样施加一个恒定峰值电压U的标准雷电波(1.2/50μs)的条件下，把试样的击穿概率P与一个任选值P0进行比较，检验零假设H0：P≤P0对备择假设H1：P＞P0，得出是接受或拒绝H0的判断，还是继续做试验。

A3.2 考虑到所加冲击试验电压产生的误差及其他一些误差因素的影响，取P1＜ P0，P2＞P0，把上述假设检验问题转化为检验零假设H0：P≤P1对备择假设H1： P＞P2，而对这样一个复杂假设检验问题又可以简化为下面的简单假设检验问题 ：H0：P=P1对H1：P=P2。

A3.3 设L为概率比，并定义



式中 L1——当P=P1时，一组观测值所得的概率；

L2——当P=P2时，一组观测值所得的概率。

序贯试验是在实验的任一阶段计算L并做如下的规定：

如L≤A时，则H0被接受；

如L≥R时，则H0被拒绝；

如A＜L＜R时，进一步观察，继续进行试验。

A和R的选择：当P=P1时，拒绝H0的概率为α，而当P=P2时，接受H0 的概率为β。

A和R的近似计算公式为



通常当P≤P1时，拒绝H0的概率经常是小于或等于α，而当P≥P2时，接受H0的概率经常是小于或等于β。

A3.4 当P=P1时，n次冲击出现dn次击穿概率为



当P=P2时，n次冲击产生dn击穿概率为



因此，概率比为



假设在n次冲击后L≤A，则：



对于观察到的击穿数dn，上式中dn≤h1+Sn，式中h1和Sn是由下式决定的常数，即

(A1)

(A2)

令 An＝h1+Sn

则当dn≤An时满足L≤A条件，就接受零假设H0，因此An称为合格判定数。

A3.5 现在假设在n次冲击后L≥R，用与上述同样的方法dn≥h2+Sn，而h2由公式计算为

(A3)

令 Rn＝h2+Sn

当dn≥Rn时，满足L≥R条件，零假设H0被拒绝，Rn称为不合格判定数。

A3.6n次冲击后的试验结果，可用点(n,dn)在n和dn的坐标图上表示。此外，An 和Rn分别为两平行直线(D1)和(D2)的方程，它们将图分成三个区域(见图2)。

如果点(n,dn)位于直线(D1)以下的区域，则H0被接受；如果点(n,dn)位于直线 (D2)以上的区域，则H0被拒绝；如果点位于两条线之间，则不能判定，需改变冲击电压继续试验。

A3.7 图2所显示的判定图是一个例子，它是由以下值P0＝10%、P1=5%、 P2=15%、α=5%、β=1%画出的。

将以上数据代入式(A1)、式(A2)、式(A3)，得

h1＝-3.76、Sn=0.092、h2＝2.47

附录 B

针电极的曲率半径测量方法

(参考件)

本附录叙述了用金相显微镜测定针电极曲率半径的方法，图B1为光学系统示意图。

由显微镜光源(S)发出的光被一组与被测物体(A)成45°角的镜子(M)反射。然后，被测物的图像通过透镜(L1、L2)投影到毛玻璃板(D)上。调节显微镜使物像放大到1000倍。

图 B1 针电极曲率半径的测定

R—曲率半径，S—光源；L1—放大透镜32×；a—弓形高；M—镜；L2— 放大透镜18×；b—弦；A—被测物体(唱机针)；D—毛玻璃板

用刻度为毫米的尺在毛玻璃板上直接测量对应于弦(b)的弓形高(a)。

为提高其测量的精确度，用两个不同值的弦进行两次测量。

曲率半径的计算公式为



_____________________

附加说明：

本标准由能源部西安热工研究所技术归口。

本标准由能源部电力科学研究院负责起草。

本标准主要起草人王永生、范起明、凌愍。

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