实验一．电介质绝缘特性及电击穿实验
一．实验目的：
观察气隙击穿、液体击穿以及固体沿面放电等现象及其特点，认识其发展过程及影响击穿电压的各主要因素，加深对有关放电理论的理解。
二．预习要点：
概念：绝缘；游离；电晕；电子崩；流注；先导放电；自持放电；滑闪放电；沿面放电；小桥；电击穿；热击穿。
判断：空气是绝缘介质；纯净液体的击穿是电击穿，非纯净液体的击穿是热击穿，绝缘油的击穿电压受油品、电压作用时间、电场分布情况及温度的影响较大，电弧会使油分解并产生炭粒；沿面放电是特殊的气体放电，分三个阶段，沿面闪络电压小于气隙击穿电压。 推理：变压器油怕受潮；油断路器有动作次数的限制；
相关知识点：电场、介质极化、偶极子、介电常数、Paschen 定律、Townsend 理论、流注理论、伏秒特性、大气过电压、内部过电压。
三．实验项目：
1．气体绝缘介质绝缘特性及电击穿实验
⑴．电极形状对放电的影响
①．球球间隙
②．针板间隙
③．针针间隙
⑵．电场性质对放电的影响
①．工频交流电场
②．直流电场
⑶．极性效应
①．正针负板
②．负针正板
2．液体绝缘介质绝缘特性及电击穿实验
⑴．导电小桥的观察
⑵．抗电强度的测试
3．固体绝缘介质绝缘特性及电击穿实验
⑴．刷状放电的观察
⑵．滑闪放电的观察
⑶．沿面闪络的观察
四．实验说明：
1．气体绝缘特性：
⑴．气体在正常情况下绝缘性能良好（带电粒子很少）；
⑵．气体质点获得足够的能量（大于其游离能）后，将会产生游离，生成正离子和电子； ⑶．气体质点获得能量的途径有：粒子撞击、光子激励、分子热碰撞；
⑷．气隙中除了有气体质点游离产生的带电粒子外，还存在金属电极表面的逸出电子； ⑸．气隙加上电场，气隙中的带电粒子将顺电场方向加速运动，造成大量的粒子碰撞，但产生气体质点游离的撞源粒子是电子；
⑹．气隙上的电场足够强时，撞击游离产生的电子又会成为撞源粒子，从而形成电子崩； ⑺．气隙之间存在的大量带电粒子会形成空间电荷区，空间电荷的存在会改变气隙间的电场分布；
⑻．气隙在强电场作用下，产生强烈游离，并发展到自持放电，气隙就被击穿。
空气间隙的放电电压与电压性质、电极形状、大气条件等因素有关：
间隙间施加交流电场或直流电场，所表现出的击穿特性及恢复特性都不相同；交流电场实际上是一个大小和极性都在不断变化的电场，如果是针板间隙，则肯定是在最容易击穿的极性下被击穿，交流快过零时气隙间电弧熄灭，气隙绝缘的恢复至少存在半个周期的恢复时间；直流电场的极性不发生改变，如果施加于针板间隙，会随所加极性的不同而表现出强烈的极性效应。
由于不同形状的电极间电场均匀度不同，故电极形状会对放电产生影响。平板间隙间可建立均匀电场，但边沿如不做倒角处理将形成局部强电场，去除边沿效应后的平板间隙在小距离情况下（δS
球球间隙间能建立较均匀电场（S/D≤0.5），接近上述均匀电场的特性，其放电分散性也较小，并且没有明显的边沿效应。故在高电压试验中常用球隙来做保护间隙甚至是测量间隙。
针板间隙间建立的电场是非均匀电场，在不同性质的电场作用下，其放电分散性较大；由于存在局部强电场，此处的空气将先期产生强烈游离，出现局部持续放电，生成大量带电粒子，并在针尖附近形成大量的正空间电荷，此空间电荷将改变针板间的电场分布，从而影响间隙的击穿电压，在直流电场情况下，就产生了明显的极性效应。
针针间隙间建立的电场是极不均匀电场，由于存在两处局部强电场，更易生成大量带电粒子，但形成的正空间电荷会使针针间电场梯度变得平缓，因而使针针间隙击穿电压反而比针板（正针负板）间隙击穿电压稍高；针针间隙是对称电场，不存在极性效应。
大气条件主要包括温度、湿度、气压三个指标。
温度实际上反映的是气体分子热运动的强烈程度，温度越高，则分子热运动越强烈，越容易产生热碰撞游离，气隙绝缘性就越差；温度高到一定程度时，气体将变成等离子体，它也就失去了绝缘性而变成了导体。
湿度反映的是气体中含水份的程度，水分子是电负性的，易俘获自由电子，使气体中的自由电子减少，从而阻碍游离的发展，因此随湿度的增大气隙的击穿电压也将提高。
气压是气体分子密度的反映，气压越高，密度越大，气体分子（包括自由电子）平均自由行程缩短，不易形成撞击游离，气隙的击穿电压因而提高。但气压过低（如接近真空）则气体分子稀薄，也难形成大量撞击游离，气隙的击穿电压也将提高。
2．液体绝缘介质绝缘特性有如下特点：
⑴．液体绝缘介质本身的离解需要较强的电场，但其绝缘性能（电导）对杂质却非常敏感。
⑵．纯净液体绝缘介质的击穿是因强电场作用下分子游离并形成电子崩造成（电击穿）；非纯净液体绝缘介质的击穿则主要是因为电场作用下杂质的顺电场排列形成小桥（如图1-1所示），并且在杂质体及附近形成局部强电场加速液体分子游离，从而产生新的杂质，使小桥生长并贯穿整个间隙，形成较大泄漏电流并发热，产生气泡（也属杂质），最终导致间隙击穿（热击穿）。
⑶．温度对液体绝缘介质绝缘特性的影响表现在如下几个方面：首先是影响绝缘电阻，随温度的升高，液体介质的粘度降低，离子受电场力作用而移动时所受的阻力减小，使绝缘电阻减小，同时使液体介质离解度增大，也促使绝缘电阻减小。随着绝缘电阻的减小，其泄漏电流增大，热效应将更为明显，会促使间隙被击穿。另一方面，温度的升高会使液体介质中溶解的水份由乳化悬浮状态转化为分子溶解状态，而分子溶解状态的水份对液体介质绝缘特性的影响比乳化悬浮状态的水份要小得多，这会使间隙击穿电压升高。温度继续升高（>60～80℃），部分水份汽化形成气泡，这又会降低间隙击穿电压。在极不均匀电场中，由于电极锐缘处发生的游离和扰动，油中杂质不易形成小桥，不会出现击穿电压随温度升高而增大的情况，而只是单调地稍有下降。对于冲击电压的作用，由于作用时间短，油隙中也不易形成小桥，击穿电压随温度升高也只是单调地稍有下降。
3．固体绝缘介质绝缘特性：
⑴．固体绝缘介质的纵向绝缘（体绝缘）很高，运行中一般不会发生纵向绝缘击穿事故（除非绝缘存在严重的内部缺陷），但往往发生绝缘的表面击穿——沿面放电。
⑵．沿面放电实质上也是一种气体放电，但却是沿固体绝缘表面进行，其放电电压比相同距离（爬电距离）的纯气隙击穿电压低。
⑶．影响沿面闪络电压的主要因素有：电场分布和电压波形、固体介质材料、固体介质表面性状、大气条件等。
对电场分布差异很大的固体介质表面，随着所施加电压（工频）的升高，沿面放电呈阶段性发展（如图1-2所示），首先在电场最强处产生电晕放电，接着是出现许多伸向对面电极的刷状放电，再后来是出现树枝状火花放电，此起彼伏，极不稳定，并伴有爆裂声，称为滑闪放电，最后当滑闪放电到达对面电极时，就形成沿面闪络。
固体介质材料的吸水性对沿面闪络电压有影响，吸水性越强，在相同大气条件下的沿面闪络电压就越低。
固体介质表面的湿润度及污秽度对沿面闪络电压会造成影响，大雨或雾露天气对闪络电压的影响机理不同，污秽物的不同也会对闪络电压形成不同影响。
大气条件中的温度和气压对沿面闪络电压的影响与气隙相似，但不如气隙明显；而湿度的影响则主要与固体介质表面吸水性有关，并通过表面凝水程度来影响闪络电压。
图1-1 液体介质内的小桥形成示意图 图1-2 穿墙套管的沿面放电示意图
五．仪器设备：
50/5试验装置一套
水阻一只
高压硅堆一只
针、板、球电极各一付
油槽（附电极一付）一只
瓷套管一只
六．实验接线：
（a ）交流击穿实验 （b ）直流击穿实验
图1-3 气隙击穿实验接线图
图1-4 液体介质的击穿实验接线图 图1-5固体介质的沿面放电实验接线图
七．实验步骤：
1. 气隙的击穿
⑴．实验接线如图1-3所示，首先装上球球电极，调整气隙距离为2cm ，测量工频击穿电压及直流击穿电压，并观察击穿过程及电弧现象，注意升压应匀速，一般为2kv/s；然后将电极换成针针电极，同样将气隙调整为2cm ，重复以上实验。
⑵．将电极换成针板电极，调整气隙距离为2cm ，施加工频电压，使电压匀速升高至气隙击穿，观察击穿过程及电弧现象，并记录下击穿电压。
⑶．保持电极状态不变，改施直流电压（正针负板），重复上述实验。注意观察直流电压下的气隙击穿过程及电弧状态与交流电压作用下的不同，并比较击穿电压值的差别。
⑷．同样保持电极状态不变，将直流极性改为负针正板，重复上述实验。注意观察与前面实验现象的不同点，比较与正针负板时击穿电压值的差别，并解释其原因。
在徐徐升高电压的过程中，注意观察在尖端电极附近首先会产生电晕放电，这是由于在电压还较低时，尖端处的场强就已经超过了起始游离场强的临界值，从而使尖端附近的空气产生局部游离----电晕放电。电晕放电为流注向板极推进创造了条件。
当电压升高到一定值时，就会从电晕放电转变成整个间隙的火花击穿，注意观察光花击穿时的通道形状，加深对流注放电机理的认识。
2．液体电介质的击穿
将放电电极浸入变压器油中，如图1-4所示，在变压器油中加入少许纤维杂质，徐徐升高电压，直至发生变压器油击穿为止。
通过本实验加深对小桥击穿机理的理解。
当电压徐徐升高时，注意观察在电场作用下纤维杂质沿电力线方向定向排列成杂质小桥的情况；
进一步观察形成贯穿电极的杂质小桥后，使泄漏电流增大，发热增加，促使水分汽化形成气泡，而气泡的游离又使气泡增多，最后使小桥通道游离击穿的全过程。
3．沿面放电
实验接线如图1-5所示，在徐徐升压直至闪络的过程中，注意观察刷形放电----滑闪放电----沿面放电的三个放电阶段，
由于沿面放电是沿着固体表面的气体放电现象，因此沿面放电在本质上仍属气体放电的
一种，和气体放电一样可以用流注放电机理来解释放电的过程。但是沿面放电是沿着固体表面进行的，因此沿面闪络电压值的大小与固体介质表面的电场分布、爬电距离、固体介质表面状况等密切相关。
注意：为保证实验的安全，观察应在警戒区外，发生击穿放电后设备应具有后备跳闸保护。
八．实验报告：
计算球球间隙及针板间隙在工频、常压条件下空气的抗电强度（Kv/cm）；
解释极性效应；
解释液体击穿的小桥机理；
解释为什么在交流电压下，沿面放电初期的刷形放电发生在接地的法兰附近，而不是发生在处于高电位的导杆附近；
总结沿面放电与气隙放电的共同点和区别。
实验二．介质损耗角正切值的测量
一．实验目的：
学习使用QS1型西林电桥测量介质损耗正切值的方法。
二．预习要点：
概念：介质损耗、损耗角、交流电桥
判断：介质损耗是表征介质交流损耗的参数（直流损耗用电导就可表征），包括电导损耗和电偶损耗；测量tg δ值对检测大面积分布性绝缘缺陷或贯穿性绝缘缺陷较灵敏和有效，但对局部性非贯穿性绝缘缺陷却不灵敏和不太有效。
推理：中性介质的介质损耗主要是电导损耗，极性介质的介质损耗则由电导损耗和电偶损耗两部分组成。
相关知识点：介质极化、偶极子、漏导。
三．实验项目：
1．正接线测试
2．反接线测试
四．实验说明：
绝缘介质中的介质损耗（P=ωC u 2 tgδ）以介质损耗角δ的正切值(tg δ)来表征, 介质损耗角正切值等于介质有功电流和电容电流之比。用测量tg δ值来评价绝缘的好坏的方法是很有效的，因而被广泛采用，它能发现下述的一些绝缘缺陷：
绝缘介质的整体受潮；
绝缘介质中含有气体等杂质；
浸渍物及油等的不均匀或脏污。
测量介质损耗正切值的方法较多，主要有平衡电桥法（QS1），不平衡电桥法及瓦特表法。目前，我国多采用平衡电桥法，特别是工业现场广泛采用QS1型西林电桥。这种电桥工作电压为10Kv，电桥面板如图
2-1所示，其工作原理及操作方法简介如下： ⑴．检流计调谐钮 ⑵．检流计调零钮
⑶．C4电容箱（tgδ） ⑷．R3电阻箱
⑸．微调电阻ρ（R3桥臂） ⑹．灵敏度调节钮
⑺．检流计电源开关 ⑻．检流计标尺框
⑼．+tgδ/-tgδ及接通Ⅰ/断开/接通Ⅱ切换钮
⑽．检流计电源插座 ⑾．接地
⑿．低压电容测量 ⒀．分流器选择钮
⒁．桥体引出线
图2-1 QS1西林电桥面板图
1．工作原理：
原理接线图如图2-2所示，桥臂BC 接入标准电容C N （一般
C N =50pf），桥臂BD 由固定的无感电阻R 4和可调电容C 4并联组成，
桥臂AD 接入可调电阻R 3，对角线AB 上接入检流计G，剩下一个桥
臂AC 就接被试品C X 。
高压试验电压加在CD 之间，测量时只要调节R 3和C 4就可使G
中的电流为零，此时电桥达到平衡。由电桥平衡原理有： 图2-1 QS1西林电桥面板图
U CA U CB 即： Z CA Z CB （式2-1） ==Z AD Z BD U AD U BD
各桥臂阻抗分别为：
R 4R X Z BD =Z 4= Z CA =Z X =1+j ϖC 4⋅R 41+j ϖC X ⋅R X
1 Z AD =Z 3=R 3 Z CB =Z N =j ϖC N
将各桥臂阻抗代入式2-？，并使等式两边的实部和虚部分别相等，可得：
C X =C N ⋅R 4 tg δ=ϖ⋅C 4⋅R 4 （式2-2） R 3
在电桥中，R4的数值取为=10000/π=3184（Ω），电源频率ω=100π，因此：
tgδ= C4（μf） （式2-3）
即在C 4电容箱的刻度盘上完全可以将C 4的电容值直接刻度成tgδ值（实际上是刻度成tgδ（%）值），便于直读。
2．接线方式：
QS1电桥在使用中有多种接线方式，即图2-3（b）所示的正接线，图2-3（c）所示的反接线，图2-3（d）所示的对角接线，另外还有低压测量接线等。
正接线适用于所测设备两端都对地绝缘的情况，此时电桥的D 点接地，试验高电压在被试品及标准电容上形成压降后，作用于电桥本体的电压很低，测试操作很安全也很方便，而且电桥的三根引出线（CX 、CN 、E）也都是低压，不需要与地绝缘。
反接线适用于所测设备有一端接地的情况，这时是C 点接地，试验高电压通过电桥加在被试品及标准电容上，电桥本体处于高电位，在测试操作时应注意安全，电桥调节手柄应保证具有15kv 以上的交流耐压能力，电桥外壳应保证可靠接地。电桥的三根引出线为高压线，应对地绝缘。
对角接线使用于所测设备有一端接地而电桥耐压又不够，不能使用反接线的情况，但这种接线的测量误差较大，测量结果需进行校正。
低压接线可用来测量低压电容器的电容量及tgδ值，标准电容可选配0.001μf（可测C X 范围为300pf～10μf）或0.01μf（可测C X 范围为3000pf～100μf）
3．分流电阻的选择及tgδ值的修正：
QS1电桥可测试品范围很广，试品电容电流变化范围也很广，但电桥中R 3的最大允许工作电流为0.01A，如果试品电容电流超过此值，则必须投入分流器，以保证R 3的安全工作，分流器挡位的选择可按表2-1所列数据进行。
在投入分流器后所测tgδ值很小的情况下，测量值应进行校正，其校正式如下： tg δX =tg δ−Δtg δ
ω⋅C N R 4(100−ρ−n ) Δtg δ=R 3+ρ
tgδ为实测值，Δtgδ为校正量，tgδX 为校正后的值。
表2-1 分流器挡位选择表 试品电容量（pf）
分流开关刻度（A） 3000 0.01 8000 0.025 19400 0.06 48000 0.15 400000 1.25
分流系数n 100+R3 60 25 10 4
五．仪器设备：
50/5试验装置一套
水阻一只
电压表一只
QS1电桥一套
220Kv 脉冲电容器（被试品）一只
六．实验接线： （
a ） 高压试验源 （ b ） 正接线 （c ） 反接线 （d ） 对角接线 图2-3 QS1西林电桥试验接线图
七．实验步骤：
⑴．首先按图2-3所示的正接线法接好试验线路；
⑵．将R 3、C 4以及灵敏度旋钮旋至零位，极性切换开关放在中间断开位置；
⑶．根据被试品电容量确定分流器挡位；
⑷．检查接线无误后，合上光偏式检流计的光照电源，这时刻度板上应出现一条窄光带，调节零位旋钮，使窄光带处在刻度板零位上；
⑸．合上试验电源，升至所需试验电压；
⑹．把极性切换开关转至“+ tgδ”位置的“接通Ⅰ”上；
⑺．把灵敏度旋钮旋至1或2位置，调节检流计的合频旋钮，找到检流计的谐振点，光带达到最宽度，即检流计单挡灵敏度达到最大；
⑻．调节检流计灵敏度旋钮，使光带达到满刻度的1/3～2/3为止；
⑼．先调节R 3使光带收缩至最窄，然后调节C 4使光带再缩至最窄，当观察不便时，应增大灵敏度旋钮挡（注意在整个调节过程中，光带不能超过满刻度），最后，反复调节ρ和C 4并在灵敏度旋钮增至10挡（最大挡）时，将光带收缩至最窄（一般不超过4mm），这时电桥达到平衡；
⑽．电桥平衡后，记录tg δ、R 3、ρ值，以及分流器挡位和所对应的分流器电阻n，还有所用标准电容的容量C N ；
⑾．将检流计灵敏度降至零，把极性旋钮旋至关断，把试验电压降至零并关断试验电源，关断灯光电源开关，最后将试验变压器及被试品高压端接地。
⑿．计算被试品电容量：
C x =C N ⋅100+R 3R 4⋅ R 3+ρn
式中，CN ------标准电容的容量（50pf或100pf）
n ------分流器电阻值（对应于分流器挡位，如表2-1所列）
⒀．按图2-4所示的反接线法接好试验线路（选做）；并按⑵～⑿操作步骤调节电桥，测出被试品的tg δ值和C X 值。
注意：反接线法桥体内为高压，电桥箱体必须良好接地，电桥引出线应架空与地绝缘。操作时注意安全。
八．实验报告：
绘出试验接线祥图；
记录被试品的tg δ；
计算被试品的C x 。
实验三．悬式绝缘子串的电压分布测试
一．实验目的：
了解悬式绝缘子串上的电压分布规律，学习使用球隙放电器测量绝缘子串上电压分布的方法。
二．预习要点：
概念：分布电容（对地C 1、对导线C 2）、绝缘子串物理模型、电压分布；
判断：C 1>>C2
推理：导线侧绝缘子电压分布最高；增大C 2可以改善绝缘子串电压分布。
相关知识点：球隙放电。不同电压等级线路绝缘子串的绝缘子（以X-4.5为例）片数：≥14片/220kv；≥8片/110kv；≥4片/35kv。X-4.5绝缘子单片耐压强度为56kv 。
三．实验项目：
1．无均压环的绝缘子串电压分布试验
2．有均压环的绝缘子串电压分布试验
四．实验说明：
悬式绝缘子的结构如图3-1所示，其在高电压作用下的物理模型如图3-2所示，其中C 为铁帽与钢脚间的电容，r 为体电阻，c 1、r 1为表面等效电容及电阻，实际上r 及r 1都很大，c 1又很小，故实用简化模型就相当于一个电容C ，绝缘子串就相当于串联的电容链。实际运行的绝缘子串，其上部悬挂在接地的铁横担上，下部悬挂着高压输电导线。绝缘子串上承受着相对地电压，在绝缘子串中，每片绝缘子除了有极间电容C 外，还存在着对地分布电容C 1以及对高压导线分布电容C 2，整个绝缘子串的等值电路可用图3-3来表示，各电容的实际值为： 图
3-1 悬式绝缘子结构图
图3-2
高电压下悬式绝缘子物理模型 图3-3 线路上悬式绝缘子串的等值电路
C=40-70（pf ）、 C 1=4-5（pf ）、 C 2=0.5-1（pf ）
如果没有C 1及C 2，显然每个绝缘子上的电压ΔU 将均匀分布，其值为ΔU=I·（1/ωC ），但由于存在C 1及C 2，每个绝缘子上的电压ΔU 将变得不均匀，如图3-4所示，流过C 1的电流将使靠近高压导线的绝缘子承担较大的电压，而流过C 2的电流又将使靠近铁横担的绝缘子承担较大的电压，综合C 1、C 2的共同作用，使得绝缘子串呈现出两端高中间低的电压分布，
又由于C 1>>C2，使得靠近高压导线的绝缘子的电压分布尤其高，整个绝缘子串上的电压分布曲线如图
3-5
所示。
① 不考虑C 1、C 2时的电压分
布；
② C 1影响后的电压分布；
③ C 2影响后的电压分布；
④ C 1、C 2综合影响后的电压
分布。
图3-4 分布电容对绝缘子串电压分布的影响 图3-5 悬式绝缘子串的电压分布曲线
由于绝缘子串上电压分布的不均匀，可能使得承受电压较大的绝缘子产生局部放电，加速绝缘子老化，造成无线电干扰等，为了满足运行要求可能要增加绝缘子片数，而这将增大工程成本，因此应尽可能改善绝缘子串上的电压分布（特别是在220kv 及以上高压及超高压线路上）。改善的方法仍着眼于改变上述分布电容，即减小C 1及增大C 2，减小C 1可使用小体积的杆塔，增大C 2可采用增大导线与绝缘子的耦合面，如采用分裂导线、安装均压环等。
工程中对绝缘子串上电压分布的测量，可检测出由于内部机械应力，运行中的机电负荷及介质材料的自然老化引起的绝缘子串局部损坏（如劣化、断裂）等缺陷。
五．仪器设备：
50/5试验装置一套
电压表一只
钳压球隙一只
悬式绝缘子串一串
均压环一只
六．实验接线：
图3-6 测量悬式绝缘子串电压分布的实验接线
七．实验步骤：
本实验采用球隙放电器测量由6片X-4.5型悬式绝缘子组成的绝缘子串的电压分布，按图3-6所示接好实验线路，实验步骤如下：
⑴．先不安装均压环，检查实验线路正确后，接通电源；
⑵．调整好球隙放电器的球隙距离，并保证其在整个试验过程中不变，把放电器的两极置于第n 片绝缘子两端，如图3-？所示，然后合上高压试验开关，均匀升高导线电压，直至放电器放电为止，记录此时的电压读数，连做三次取平均值作为测量第n 片绝缘子时施加于绝缘子串上的总电压U Bn ；
⑶．依次将放电器安置于其它绝缘子上，重做上述试验，并记下电压值；
⑷．依据记录的U Bn （n=1，2，…，6），计算每片绝缘子的电压分布百分数，计算式如下：
⎛⎜1⎜1ΔU n (%)=⋅U Bn ⎜61⎜∑⎜n ⎝=1U Bn ⎞⎟⎟ ⎟⎟⎟⎠
⑸．装上均压环，重做上述试验。
八．实验报告：
⑴．以表格形式记录的各片试验电压U Bn ；
⑵．计算出各片的电压分布百分数U n %；
⑶．作出绝缘子串的电压分布曲线（n —ΔU n %）；
⑷．对试验结果作出说明，并着重分析：
①电压分布曲线为何呈现如此形状？
②均压环的作用原理。
实验四．避雷器试验
一．实验目的：
了解阀型避雷器的种类、型号、规格、工作原理及不同种类避雷器的结构和适用范围，掌握阀型避雷器电气预防性试验的项目、具体内容、试验标准及试验方法。
二．预习要点：
概念：灭弧电压、冲击放电电压、工频放电电压、残压、保护比、切断比、工频续流、直流电导电流、非线性系数、冲击系数。
判断：普通阀型避雷器阀片热容量小，磁吹阀型避雷器阀片热容量较大。
推理：普通阀型避雷器只用于限制大气过电压，磁吹阀型避雷器既可用于限制大气过电压也可用于限制内部过电压。
相关知识点：大气过电压、内过电压、伏秒特性、冲击耐压强度、绝缘配合、雷电流计算标准。
三．实验项目：
1．FS-10型避雷器试验
．绝缘电阻检查 （1）
．工频放电电压测试 （2）
2．FZ-15型避雷器试验
．绝缘电阻检查 （1）
．泄漏电流及非线性系数的测试 （2）
四．实验说明：
阀型避雷器分普通型和磁吹型两类，普通型又分FS 型（配电型）和FZ 型（站用型）两种。它们的作用过程都是在雷电波入侵时击穿火花间隙，通过阀片（非线性电阻）泄导雷电流并限制残压值，在雷电过后又通过阀片减小工频续流并通过火花间隙的自然熄弧能力在工频续流第一次过零时切断之，避雷器实际工作时的通流时间≯10ms （半个工频周期）。FS 型避雷器的结构最简单，如图4-1所示，由火花间隙和非线性电阻（阀片）串联组成。FZ 型避雷器的结构特点是在火花间隙上并联有均压电阻（也为非线性电阻），如图4-2所示，增设均压电阻是为了提高避雷器的保护性能，因为多个火花间隙串联后将引起间隙上工频电压分布不均，并随外瓷套电压分布而变化，从而引起避雷器间隙恢复电压的不均匀及不稳定，降低避雷器熄弧能力，同时其工频放电电压也将下降和不稳定。加上均压电阻后，工频电压将按电阻分布，从而大大改善间隙工频电压的分布均匀度，提高避雷器的保护性能。非线性电阻
α的伏安特性式为：U=CI，其中C 为材料系数，α即为非线性系数（普通型阀片的α≈0.2、
磁吹型阀片的α≈0.24、FZ 型避雷器因均压电阻的影响，其整体α≈0.35～0.45），其伏安特性曲线如图4-3所示。可见流过非线性电阻的电流越大，其阻值越小，反之其阻值越大，这种特性对避雷器泄导雷电流并限制残压，减小并切断工频续流都很有利。另外，FS 型避雷器的工作电压较低（≤10kv ），而FZ 型避雷器工作电压可做到220kv 。FZ 型避雷器中的非线性电阻（均压电阻和阀片）的热容量较FS 型为大，因其工作时要长期流过工频漏电流（很小、微安级）。磁吹型避雷器有FCZ 型（电站用）和FCD 型（旋转电机用）两种，其结构与FZ 型相似，间隙上都有均压电阻，只是磁吹型避雷器采用磁吹间隙，并配有磁场线圈和辅助间隙。由于以上结构上的不同，所以对FS 型和FZ （FCZ 、FCD ）型避雷器的预防性试验项目和标准都有很大的不同。
根据《电力设备预防性试验规程》，对FS 型避雷器主要应做绝缘电阻检查和工频放电电压试验，对FZ （及FCZ 、FCD ）型避雷器则应做绝缘电阻检查和直流泄漏电流及非线性系数的测试。只有在其解体检修后才要求做工频放电电压试验（需要专门设备）。避雷器其它的预防性试验还包括底座绝缘电阻的检查、放电计数器的检查及瓷套密封性检查等。
避雷器试验应在每年雷雨季节前及大修后或必要时进行。绝缘电阻的检查应采用电压≥2500v 及量程≥2500M Ω的兆欧表。要求对于FS 型避雷器绝缘电阻应不低于2500M Ω；FZ （FCZ 、FCD ）型避雷器绝缘电阻与前次或同类型的测试值比较，不应有明显差别。FS 型避雷器的工频放电电压试验的合格值如表4-1所列。
表4-1 FS型避雷器的工频放电电压值： 额定电压（kv ）
工频放电电压大修后 9～～～31
（kv ） 运行中 8～～～33
FZ 型避雷器的直流泄漏电流及非线性系数的测试的试验电压及电导电流值如表4-2所列，所测泄漏电流值还应与历年数据相比较，不应有显著变化，同相元件电导电流差值不应大于30%。
表4-2 FZ型避雷器的直流泄漏试验电压及电导电流值： 额定电压（kv ）
1试验电压（kv ） U 2
U 2时电导电流（μA ）450～～600
电导电流差值按式4-1计算：
ΔI (%)=I max −I min ⋅100% （式4-1） I max
非线性系数按式4-2计算：
⎛U 2⎞⎟log ⎜⎜U ⎟⎝1⎠ （式4-2） α=⎛I 2⎞⎟log ⎜⎜I ⎟⎝1⎠
同相组合元件的非线性系数差值不应大于0.05。
图4-1 FS型避雷器结构及
图4-2 FZ型避雷器 图4-3 非线性电阻的 电路示意图 电路示意图 伏安特性曲线
五．仪器设备：
50/5试验装置一套
水阻一只
高压硅堆一只
滤波电容一只
微安表一只
电压表一只
高压静电电压表一只
FS-10型避雷器一只
FZ-15型避雷器一只 六．实验接线：
图4-4
绝缘电阻测试接线图 图4-5 FS型避雷器工频放电实验接线图
（a ）微安表接在避雷器处 （b ）微安表接在试验变压器尾端
图4-6 FZ型避雷器工频放电实验接线图
七．实验步骤：
1．FS-10型避雷器试验
（1）．绝缘电阻检查
测试接线如图4-4所示，测试前应把避雷器表面清洁干净，检查有无外伤，两端头有无松动及锈蚀。测试时避雷器应竖放，先检查兆欧表的零位和最大偏转位，然后夹好接线，以120转/分的速度匀速摇转兆欧表，读取稳定的读数；为消除表面泄露的影响，可做一屏蔽环并接于兆欧表的G 端，使表面泄露不影响读数。
所测得的绝缘电阻如果小于2500M Ω，可能是避雷器瓷套密封不良引起内部受潮所至。 （2）．工频放电电压测试
测试接线如图4-5所示，试验电路中应设保护电阻R ，用来限制击穿放电时的放电电流，要求将此电流幅值限制到0.7A 以下，以避免放电烧坏火花间隙；控制电路应设电流速断保护，要求间隙放电后在0.5s 内切断电源。电压测量可在低压侧进行，并通过变比折算出高压侧电压，试验步骤：
①检查接线正确后，接通电源；
②合上高压试验开关，匀速升压（≈2kv/s），直至避雷器击穿放电，并记录此时的电压值，然后将调压器电压降至零，断开高压试验开关；
③重复步骤②三次，每次间隔时间不小于1min ，取三次放电电压平均值为此避雷器的工频放电电压；
④切断电源。
2．FZ-15型避雷器试验
（1）．绝缘电阻检查
测试方法与测FS 型避雷器绝缘电阻时相同，所不同的是因FZ 型避雷器火花间隙上并联有均压电阻，故所测得的值比FS 型要小得多。规程中没有规定具体数值，但必须做相对比较。如果与前次比较明显偏小，则可能是避雷器瓷套密封不良引起内部受潮；如果明显增大，则可能是避雷器均压电阻接触不良或断裂所至。
（2）．泄漏电流及非线性系数的测试
测试接线如图4-6所示，注意高压硅堆的方向应使试验电压呈负极性，要求试验电压的脉动系数不大于±1.5%，一般是在回路上并接0.01～0.1μf 的滤波电容C ，保护电阻R 应使避雷器放电时的放电电流不大于硅堆最大允许电流，应直接测量加在避雷器上的试验电压（一般用静电电压表测量），测量准确度应在3级或以上，电导电流可在图中A 、B 、C 三处测量，以A 处为优选，注意在C 处测量时除避雷器外的其它试验设备的接地端应接于试验变压器的X 端，并空升一次以检查其它泄露情况。电流测量准确度应在0.5级或以上，试验步骤：
①检查接线正确后，接通电源；
②合上高压试验开关，匀速升压（≈2kv/s）至U 1，记录此时的电导电流（I 1），然后继续匀速升压至U 2，并记录此时的电导电流（I 2），完毕后将电压降至零，断开高压试验开关，切断电源；
③放电，对滤波电容。一般先通过电阻放电，然后再直接放电并挂上接地线。
八．实验报告：
1．用表格表示试验的详细结果；
2．根据试验记录，计算并分析试验数据；
3．判断被试品是否合格。
本期需加1个“雷电冲击电流实验”。
实验一．电介质绝缘特性及电击穿实验
一．实验目的：
观察气隙击穿、液体击穿以及固体沿面放电等现象及其特点，认识其发展过程及影响击穿电压的各主要因素，加深对有关放电理论的理解。
二．预习要点：
概念：绝缘；游离；电晕；电子崩；流注；先导放电；自持放电；滑闪放电；沿面放电；小桥；电击穿；热击穿。
判断：空气是绝缘介质；纯净液体的击穿是电击穿，非纯净液体的击穿是热击穿，绝缘油的击穿电压受油品、电压作用时间、电场分布情况及温度的影响较大，电弧会使油分解并产生炭粒；沿面放电是特殊的气体放电，分三个阶段，沿面闪络电压小于气隙击穿电压。 推理：变压器油怕受潮；油断路器有动作次数的限制；
相关知识点：电场、介质极化、偶极子、介电常数、Paschen 定律、Townsend 理论、流注理论、伏秒特性、大气过电压、内部过电压。
三．实验项目：
1．气体绝缘介质绝缘特性及电击穿实验
⑴．电极形状对放电的影响
①．球球间隙
②．针板间隙
③．针针间隙
⑵．电场性质对放电的影响
①．工频交流电场
②．直流电场
⑶．极性效应
①．正针负板
②．负针正板
2．液体绝缘介质绝缘特性及电击穿实验
⑴．导电小桥的观察
⑵．抗电强度的测试
3．固体绝缘介质绝缘特性及电击穿实验
⑴．刷状放电的观察
⑵．滑闪放电的观察
⑶．沿面闪络的观察
四．实验说明：
1．气体绝缘特性：
⑴．气体在正常情况下绝缘性能良好（带电粒子很少）；
⑵．气体质点获得足够的能量（大于其游离能）后，将会产生游离，生成正离子和电子； ⑶．气体质点获得能量的途径有：粒子撞击、光子激励、分子热碰撞；
⑷．气隙中除了有气体质点游离产生的带电粒子外，还存在金属电极表面的逸出电子； ⑸．气隙加上电场，气隙中的带电粒子将顺电场方向加速运动，造成大量的粒子碰撞，但产生气体质点游离的撞源粒子是电子；
⑹．气隙上的电场足够强时，撞击游离产生的电子又会成为撞源粒子，从而形成电子崩； ⑺．气隙之间存在的大量带电粒子会形成空间电荷区，空间电荷的存在会改变气隙间的电场分布；
⑻．气隙在强电场作用下，产生强烈游离，并发展到自持放电，气隙就被击穿。
空气间隙的放电电压与电压性质、电极形状、大气条件等因素有关：
间隙间施加交流电场或直流电场，所表现出的击穿特性及恢复特性都不相同；交流电场实际上是一个大小和极性都在不断变化的电场，如果是针板间隙，则肯定是在最容易击穿的极性下被击穿，交流快过零时气隙间电弧熄灭，气隙绝缘的恢复至少存在半个周期的恢复时间；直流电场的极性不发生改变，如果施加于针板间隙，会随所加极性的不同而表现出强烈的极性效应。
由于不同形状的电极间电场均匀度不同，故电极形状会对放电产生影响。平板间隙间可建立均匀电场，但边沿如不做倒角处理将形成局部强电场，去除边沿效应后的平板间隙在小距离情况下（δS
球球间隙间能建立较均匀电场（S/D≤0.5），接近上述均匀电场的特性，其放电分散性也较小，并且没有明显的边沿效应。故在高电压试验中常用球隙来做保护间隙甚至是测量间隙。
针板间隙间建立的电场是非均匀电场，在不同性质的电场作用下，其放电分散性较大；由于存在局部强电场，此处的空气将先期产生强烈游离，出现局部持续放电，生成大量带电粒子，并在针尖附近形成大量的正空间电荷，此空间电荷将改变针板间的电场分布，从而影响间隙的击穿电压，在直流电场情况下，就产生了明显的极性效应。
针针间隙间建立的电场是极不均匀电场，由于存在两处局部强电场，更易生成大量带电粒子，但形成的正空间电荷会使针针间电场梯度变得平缓，因而使针针间隙击穿电压反而比针板（正针负板）间隙击穿电压稍高；针针间隙是对称电场，不存在极性效应。
大气条件主要包括温度、湿度、气压三个指标。
温度实际上反映的是气体分子热运动的强烈程度，温度越高，则分子热运动越强烈，越容易产生热碰撞游离，气隙绝缘性就越差；温度高到一定程度时，气体将变成等离子体，它也就失去了绝缘性而变成了导体。
湿度反映的是气体中含水份的程度，水分子是电负性的，易俘获自由电子，使气体中的自由电子减少，从而阻碍游离的发展，因此随湿度的增大气隙的击穿电压也将提高。
气压是气体分子密度的反映，气压越高，密度越大，气体分子（包括自由电子）平均自由行程缩短，不易形成撞击游离，气隙的击穿电压因而提高。但气压过低（如接近真空）则气体分子稀薄，也难形成大量撞击游离，气隙的击穿电压也将提高。
2．液体绝缘介质绝缘特性有如下特点：
⑴．液体绝缘介质本身的离解需要较强的电场，但其绝缘性能（电导）对杂质却非常敏感。
⑵．纯净液体绝缘介质的击穿是因强电场作用下分子游离并形成电子崩造成（电击穿）；非纯净液体绝缘介质的击穿则主要是因为电场作用下杂质的顺电场排列形成小桥（如图1-1所示），并且在杂质体及附近形成局部强电场加速液体分子游离，从而产生新的杂质，使小桥生长并贯穿整个间隙，形成较大泄漏电流并发热，产生气泡（也属杂质），最终导致间隙击穿（热击穿）。
⑶．温度对液体绝缘介质绝缘特性的影响表现在如下几个方面：首先是影响绝缘电阻，随温度的升高，液体介质的粘度降低，离子受电场力作用而移动时所受的阻力减小，使绝缘电阻减小，同时使液体介质离解度增大，也促使绝缘电阻减小。随着绝缘电阻的减小，其泄漏电流增大，热效应将更为明显，会促使间隙被击穿。另一方面，温度的升高会使液体介质中溶解的水份由乳化悬浮状态转化为分子溶解状态，而分子溶解状态的水份对液体介质绝缘特性的影响比乳化悬浮状态的水份要小得多，这会使间隙击穿电压升高。温度继续升高（>60～80℃），部分水份汽化形成气泡，这又会降低间隙击穿电压。在极不均匀电场中，由于电极锐缘处发生的游离和扰动，油中杂质不易形成小桥，不会出现击穿电压随温度升高而增大的情况，而只是单调地稍有下降。对于冲击电压的作用，由于作用时间短，油隙中也不易形成小桥，击穿电压随温度升高也只是单调地稍有下降。
3．固体绝缘介质绝缘特性：
⑴．固体绝缘介质的纵向绝缘（体绝缘）很高，运行中一般不会发生纵向绝缘击穿事故（除非绝缘存在严重的内部缺陷），但往往发生绝缘的表面击穿——沿面放电。
⑵．沿面放电实质上也是一种气体放电，但却是沿固体绝缘表面进行，其放电电压比相同距离（爬电距离）的纯气隙击穿电压低。
⑶．影响沿面闪络电压的主要因素有：电场分布和电压波形、固体介质材料、固体介质表面性状、大气条件等。
对电场分布差异很大的固体介质表面，随着所施加电压（工频）的升高，沿面放电呈阶段性发展（如图1-2所示），首先在电场最强处产生电晕放电，接着是出现许多伸向对面电极的刷状放电，再后来是出现树枝状火花放电，此起彼伏，极不稳定，并伴有爆裂声，称为滑闪放电，最后当滑闪放电到达对面电极时，就形成沿面闪络。
固体介质材料的吸水性对沿面闪络电压有影响，吸水性越强，在相同大气条件下的沿面闪络电压就越低。
固体介质表面的湿润度及污秽度对沿面闪络电压会造成影响，大雨或雾露天气对闪络电压的影响机理不同，污秽物的不同也会对闪络电压形成不同影响。
大气条件中的温度和气压对沿面闪络电压的影响与气隙相似，但不如气隙明显；而湿度的影响则主要与固体介质表面吸水性有关，并通过表面凝水程度来影响闪络电压。
图1-1 液体介质内的小桥形成示意图 图1-2 穿墙套管的沿面放电示意图
五．仪器设备：
50/5试验装置一套
水阻一只
高压硅堆一只
针、板、球电极各一付
油槽（附电极一付）一只
瓷套管一只
六．实验接线：
（a ）交流击穿实验 （b ）直流击穿实验
图1-3 气隙击穿实验接线图
图1-4 液体介质的击穿实验接线图 图1-5固体介质的沿面放电实验接线图
七．实验步骤：
1. 气隙的击穿
⑴．实验接线如图1-3所示，首先装上球球电极，调整气隙距离为2cm ，测量工频击穿电压及直流击穿电压，并观察击穿过程及电弧现象，注意升压应匀速，一般为2kv/s；然后将电极换成针针电极，同样将气隙调整为2cm ，重复以上实验。
⑵．将电极换成针板电极，调整气隙距离为2cm ，施加工频电压，使电压匀速升高至气隙击穿，观察击穿过程及电弧现象，并记录下击穿电压。
⑶．保持电极状态不变，改施直流电压（正针负板），重复上述实验。注意观察直流电压下的气隙击穿过程及电弧状态与交流电压作用下的不同，并比较击穿电压值的差别。
⑷．同样保持电极状态不变，将直流极性改为负针正板，重复上述实验。注意观察与前面实验现象的不同点，比较与正针负板时击穿电压值的差别，并解释其原因。
在徐徐升高电压的过程中，注意观察在尖端电极附近首先会产生电晕放电，这是由于在电压还较低时，尖端处的场强就已经超过了起始游离场强的临界值，从而使尖端附近的空气产生局部游离----电晕放电。电晕放电为流注向板极推进创造了条件。
当电压升高到一定值时，就会从电晕放电转变成整个间隙的火花击穿，注意观察光花击穿时的通道形状，加深对流注放电机理的认识。
2．液体电介质的击穿
将放电电极浸入变压器油中，如图1-4所示，在变压器油中加入少许纤维杂质，徐徐升高电压，直至发生变压器油击穿为止。
通过本实验加深对小桥击穿机理的理解。
当电压徐徐升高时，注意观察在电场作用下纤维杂质沿电力线方向定向排列成杂质小桥的情况；
进一步观察形成贯穿电极的杂质小桥后，使泄漏电流增大，发热增加，促使水分汽化形成气泡，而气泡的游离又使气泡增多，最后使小桥通道游离击穿的全过程。
3．沿面放电
实验接线如图1-5所示，在徐徐升压直至闪络的过程中，注意观察刷形放电----滑闪放电----沿面放电的三个放电阶段，
由于沿面放电是沿着固体表面的气体放电现象，因此沿面放电在本质上仍属气体放电的
一种，和气体放电一样可以用流注放电机理来解释放电的过程。但是沿面放电是沿着固体表面进行的，因此沿面闪络电压值的大小与固体介质表面的电场分布、爬电距离、固体介质表面状况等密切相关。
注意：为保证实验的安全，观察应在警戒区外，发生击穿放电后设备应具有后备跳闸保护。
八．实验报告：
计算球球间隙及针板间隙在工频、常压条件下空气的抗电强度（Kv/cm）；
解释极性效应；
解释液体击穿的小桥机理；
解释为什么在交流电压下，沿面放电初期的刷形放电发生在接地的法兰附近，而不是发生在处于高电位的导杆附近；
总结沿面放电与气隙放电的共同点和区别。
实验二．介质损耗角正切值的测量
一．实验目的：
学习使用QS1型西林电桥测量介质损耗正切值的方法。
二．预习要点：
概念：介质损耗、损耗角、交流电桥
判断：介质损耗是表征介质交流损耗的参数（直流损耗用电导就可表征），包括电导损耗和电偶损耗；测量tg δ值对检测大面积分布性绝缘缺陷或贯穿性绝缘缺陷较灵敏和有效，但对局部性非贯穿性绝缘缺陷却不灵敏和不太有效。
推理：中性介质的介质损耗主要是电导损耗，极性介质的介质损耗则由电导损耗和电偶损耗两部分组成。
相关知识点：介质极化、偶极子、漏导。
三．实验项目：
1．正接线测试
2．反接线测试
四．实验说明：
绝缘介质中的介质损耗（P=ωC u 2 tgδ）以介质损耗角δ的正切值(tg δ)来表征, 介质损耗角正切值等于介质有功电流和电容电流之比。用测量tg δ值来评价绝缘的好坏的方法是很有效的，因而被广泛采用，它能发现下述的一些绝缘缺陷：
绝缘介质的整体受潮；
绝缘介质中含有气体等杂质；
浸渍物及油等的不均匀或脏污。
测量介质损耗正切值的方法较多，主要有平衡电桥法（QS1），不平衡电桥法及瓦特表法。目前，我国多采用平衡电桥法，特别是工业现场广泛采用QS1型西林电桥。这种电桥工作电压为10Kv，电桥面板如图
2-1所示，其工作原理及操作方法简介如下： ⑴．检流计调谐钮 ⑵．检流计调零钮
⑶．C4电容箱（tgδ） ⑷．R3电阻箱
⑸．微调电阻ρ（R3桥臂） ⑹．灵敏度调节钮
⑺．检流计电源开关 ⑻．检流计标尺框
⑼．+tgδ/-tgδ及接通Ⅰ/断开/接通Ⅱ切换钮
⑽．检流计电源插座 ⑾．接地
⑿．低压电容测量 ⒀．分流器选择钮
⒁．桥体引出线
图2-1 QS1西林电桥面板图
1．工作原理：
原理接线图如图2-2所示，桥臂BC 接入标准电容C N （一般
C N =50pf），桥臂BD 由固定的无感电阻R 4和可调电容C 4并联组成，
桥臂AD 接入可调电阻R 3，对角线AB 上接入检流计G，剩下一个桥
臂AC 就接被试品C X 。
高压试验电压加在CD 之间，测量时只要调节R 3和C 4就可使G
中的电流为零，此时电桥达到平衡。由电桥平衡原理有： 图2-1 QS1西林电桥面板图
U CA U CB 即： Z CA Z CB （式2-1） ==Z AD Z BD U AD U BD
各桥臂阻抗分别为：
R 4R X Z BD =Z 4= Z CA =Z X =1+j ϖC 4⋅R 41+j ϖC X ⋅R X
1 Z AD =Z 3=R 3 Z CB =Z N =j ϖC N
将各桥臂阻抗代入式2-？，并使等式两边的实部和虚部分别相等，可得：
C X =C N ⋅R 4 tg δ=ϖ⋅C 4⋅R 4 （式2-2） R 3
在电桥中，R4的数值取为=10000/π=3184（Ω），电源频率ω=100π，因此：
tgδ= C4（μf） （式2-3）
即在C 4电容箱的刻度盘上完全可以将C 4的电容值直接刻度成tgδ值（实际上是刻度成tgδ（%）值），便于直读。
2．接线方式：
QS1电桥在使用中有多种接线方式，即图2-3（b）所示的正接线，图2-3（c）所示的反接线，图2-3（d）所示的对角接线，另外还有低压测量接线等。
正接线适用于所测设备两端都对地绝缘的情况，此时电桥的D 点接地，试验高电压在被试品及标准电容上形成压降后，作用于电桥本体的电压很低，测试操作很安全也很方便，而且电桥的三根引出线（CX 、CN 、E）也都是低压，不需要与地绝缘。
反接线适用于所测设备有一端接地的情况，这时是C 点接地，试验高电压通过电桥加在被试品及标准电容上，电桥本体处于高电位，在测试操作时应注意安全，电桥调节手柄应保证具有15kv 以上的交流耐压能力，电桥外壳应保证可靠接地。电桥的三根引出线为高压线，应对地绝缘。
对角接线使用于所测设备有一端接地而电桥耐压又不够，不能使用反接线的情况，但这种接线的测量误差较大，测量结果需进行校正。
低压接线可用来测量低压电容器的电容量及tgδ值，标准电容可选配0.001μf（可测C X 范围为300pf～10μf）或0.01μf（可测C X 范围为3000pf～100μf）
3．分流电阻的选择及tgδ值的修正：
QS1电桥可测试品范围很广，试品电容电流变化范围也很广，但电桥中R 3的最大允许工作电流为0.01A，如果试品电容电流超过此值，则必须投入分流器，以保证R 3的安全工作，分流器挡位的选择可按表2-1所列数据进行。
在投入分流器后所测tgδ值很小的情况下，测量值应进行校正，其校正式如下： tg δX =tg δ−Δtg δ
ω⋅C N R 4(100−ρ−n ) Δtg δ=R 3+ρ
tgδ为实测值，Δtgδ为校正量，tgδX 为校正后的值。
表2-1 分流器挡位选择表 试品电容量（pf）
分流开关刻度（A） 3000 0.01 8000 0.025 19400 0.06 48000 0.15 400000 1.25
分流系数n 100+R3 60 25 10 4
五．仪器设备：
50/5试验装置一套
水阻一只
电压表一只
QS1电桥一套
220Kv 脉冲电容器（被试品）一只
六．实验接线： （
a ） 高压试验源 （ b ） 正接线 （c ） 反接线 （d ） 对角接线 图2-3 QS1西林电桥试验接线图
七．实验步骤：
⑴．首先按图2-3所示的正接线法接好试验线路；
⑵．将R 3、C 4以及灵敏度旋钮旋至零位，极性切换开关放在中间断开位置；
⑶．根据被试品电容量确定分流器挡位；
⑷．检查接线无误后，合上光偏式检流计的光照电源，这时刻度板上应出现一条窄光带，调节零位旋钮，使窄光带处在刻度板零位上；
⑸．合上试验电源，升至所需试验电压；
⑹．把极性切换开关转至“+ tgδ”位置的“接通Ⅰ”上；
⑺．把灵敏度旋钮旋至1或2位置，调节检流计的合频旋钮，找到检流计的谐振点，光带达到最宽度，即检流计单挡灵敏度达到最大；
⑻．调节检流计灵敏度旋钮，使光带达到满刻度的1/3～2/3为止；
⑼．先调节R 3使光带收缩至最窄，然后调节C 4使光带再缩至最窄，当观察不便时，应增大灵敏度旋钮挡（注意在整个调节过程中，光带不能超过满刻度），最后，反复调节ρ和C 4并在灵敏度旋钮增至10挡（最大挡）时，将光带收缩至最窄（一般不超过4mm），这时电桥达到平衡；
⑽．电桥平衡后，记录tg δ、R 3、ρ值，以及分流器挡位和所对应的分流器电阻n，还有所用标准电容的容量C N ；
⑾．将检流计灵敏度降至零，把极性旋钮旋至关断，把试验电压降至零并关断试验电源，关断灯光电源开关，最后将试验变压器及被试品高压端接地。
⑿．计算被试品电容量：
C x =C N ⋅100+R 3R 4⋅ R 3+ρn
式中，CN ------标准电容的容量（50pf或100pf）
n ------分流器电阻值（对应于分流器挡位，如表2-1所列）
⒀．按图2-4所示的反接线法接好试验线路（选做）；并按⑵～⑿操作步骤调节电桥，测出被试品的tg δ值和C X 值。
注意：反接线法桥体内为高压，电桥箱体必须良好接地，电桥引出线应架空与地绝缘。操作时注意安全。
八．实验报告：
绘出试验接线祥图；
记录被试品的tg δ；
计算被试品的C x 。
实验三．悬式绝缘子串的电压分布测试
一．实验目的：
了解悬式绝缘子串上的电压分布规律，学习使用球隙放电器测量绝缘子串上电压分布的方法。
二．预习要点：
概念：分布电容（对地C 1、对导线C 2）、绝缘子串物理模型、电压分布；
判断：C 1>>C2
推理：导线侧绝缘子电压分布最高；增大C 2可以改善绝缘子串电压分布。
相关知识点：球隙放电。不同电压等级线路绝缘子串的绝缘子（以X-4.5为例）片数：≥14片/220kv；≥8片/110kv；≥4片/35kv。X-4.5绝缘子单片耐压强度为56kv 。
三．实验项目：
1．无均压环的绝缘子串电压分布试验
2．有均压环的绝缘子串电压分布试验
四．实验说明：
悬式绝缘子的结构如图3-1所示，其在高电压作用下的物理模型如图3-2所示，其中C 为铁帽与钢脚间的电容，r 为体电阻，c 1、r 1为表面等效电容及电阻，实际上r 及r 1都很大，c 1又很小，故实用简化模型就相当于一个电容C ，绝缘子串就相当于串联的电容链。实际运行的绝缘子串，其上部悬挂在接地的铁横担上，下部悬挂着高压输电导线。绝缘子串上承受着相对地电压，在绝缘子串中，每片绝缘子除了有极间电容C 外，还存在着对地分布电容C 1以及对高压导线分布电容C 2，整个绝缘子串的等值电路可用图3-3来表示，各电容的实际值为： 图
3-1 悬式绝缘子结构图
图3-2
高电压下悬式绝缘子物理模型 图3-3 线路上悬式绝缘子串的等值电路
C=40-70（pf ）、 C 1=4-5（pf ）、 C 2=0.5-1（pf ）
如果没有C 1及C 2，显然每个绝缘子上的电压ΔU 将均匀分布，其值为ΔU=I·（1/ωC ），但由于存在C 1及C 2，每个绝缘子上的电压ΔU 将变得不均匀，如图3-4所示，流过C 1的电流将使靠近高压导线的绝缘子承担较大的电压，而流过C 2的电流又将使靠近铁横担的绝缘子承担较大的电压，综合C 1、C 2的共同作用，使得绝缘子串呈现出两端高中间低的电压分布，
又由于C 1>>C2，使得靠近高压导线的绝缘子的电压分布尤其高，整个绝缘子串上的电压分布曲线如图
3-5
所示。
① 不考虑C 1、C 2时的电压分
布；
② C 1影响后的电压分布；
③ C 2影响后的电压分布；
④ C 1、C 2综合影响后的电压
分布。
图3-4 分布电容对绝缘子串电压分布的影响 图3-5 悬式绝缘子串的电压分布曲线
由于绝缘子串上电压分布的不均匀，可能使得承受电压较大的绝缘子产生局部放电，加速绝缘子老化，造成无线电干扰等，为了满足运行要求可能要增加绝缘子片数，而这将增大工程成本，因此应尽可能改善绝缘子串上的电压分布（特别是在220kv 及以上高压及超高压线路上）。改善的方法仍着眼于改变上述分布电容，即减小C 1及增大C 2，减小C 1可使用小体积的杆塔，增大C 2可采用增大导线与绝缘子的耦合面，如采用分裂导线、安装均压环等。
工程中对绝缘子串上电压分布的测量，可检测出由于内部机械应力，运行中的机电负荷及介质材料的自然老化引起的绝缘子串局部损坏（如劣化、断裂）等缺陷。
五．仪器设备：
50/5试验装置一套
电压表一只
钳压球隙一只
悬式绝缘子串一串
均压环一只
六．实验接线：
图3-6 测量悬式绝缘子串电压分布的实验接线
七．实验步骤：
本实验采用球隙放电器测量由6片X-4.5型悬式绝缘子组成的绝缘子串的电压分布，按图3-6所示接好实验线路，实验步骤如下：
⑴．先不安装均压环，检查实验线路正确后，接通电源；
⑵．调整好球隙放电器的球隙距离，并保证其在整个试验过程中不变，把放电器的两极置于第n 片绝缘子两端，如图3-？所示，然后合上高压试验开关，均匀升高导线电压，直至放电器放电为止，记录此时的电压读数，连做三次取平均值作为测量第n 片绝缘子时施加于绝缘子串上的总电压U Bn ；
⑶．依次将放电器安置于其它绝缘子上，重做上述试验，并记下电压值；
⑷．依据记录的U Bn （n=1，2，…，6），计算每片绝缘子的电压分布百分数，计算式如下：
⎛⎜1⎜1ΔU n (%)=⋅U Bn ⎜61⎜∑⎜n ⎝=1U Bn ⎞⎟⎟ ⎟⎟⎟⎠
⑸．装上均压环，重做上述试验。
八．实验报告：
⑴．以表格形式记录的各片试验电压U Bn ；
⑵．计算出各片的电压分布百分数U n %；
⑶．作出绝缘子串的电压分布曲线（n —ΔU n %）；
⑷．对试验结果作出说明，并着重分析：
①电压分布曲线为何呈现如此形状？
②均压环的作用原理。
实验四．避雷器试验
一．实验目的：
了解阀型避雷器的种类、型号、规格、工作原理及不同种类避雷器的结构和适用范围，掌握阀型避雷器电气预防性试验的项目、具体内容、试验标准及试验方法。
二．预习要点：
概念：灭弧电压、冲击放电电压、工频放电电压、残压、保护比、切断比、工频续流、直流电导电流、非线性系数、冲击系数。
判断：普通阀型避雷器阀片热容量小，磁吹阀型避雷器阀片热容量较大。
推理：普通阀型避雷器只用于限制大气过电压，磁吹阀型避雷器既可用于限制大气过电压也可用于限制内部过电压。
相关知识点：大气过电压、内过电压、伏秒特性、冲击耐压强度、绝缘配合、雷电流计算标准。
三．实验项目：
1．FS-10型避雷器试验
．绝缘电阻检查 （1）
．工频放电电压测试 （2）
2．FZ-15型避雷器试验
．绝缘电阻检查 （1）
．泄漏电流及非线性系数的测试 （2）
四．实验说明：
阀型避雷器分普通型和磁吹型两类，普通型又分FS 型（配电型）和FZ 型（站用型）两种。它们的作用过程都是在雷电波入侵时击穿火花间隙，通过阀片（非线性电阻）泄导雷电流并限制残压值，在雷电过后又通过阀片减小工频续流并通过火花间隙的自然熄弧能力在工频续流第一次过零时切断之，避雷器实际工作时的通流时间≯10ms （半个工频周期）。FS 型避雷器的结构最简单，如图4-1所示，由火花间隙和非线性电阻（阀片）串联组成。FZ 型避雷器的结构特点是在火花间隙上并联有均压电阻（也为非线性电阻），如图4-2所示，增设均压电阻是为了提高避雷器的保护性能，因为多个火花间隙串联后将引起间隙上工频电压分布不均，并随外瓷套电压分布而变化，从而引起避雷器间隙恢复电压的不均匀及不稳定，降低避雷器熄弧能力，同时其工频放电电压也将下降和不稳定。加上均压电阻后，工频电压将按电阻分布，从而大大改善间隙工频电压的分布均匀度，提高避雷器的保护性能。非线性电阻
α的伏安特性式为：U=CI，其中C 为材料系数，α即为非线性系数（普通型阀片的α≈0.2、
磁吹型阀片的α≈0.24、FZ 型避雷器因均压电阻的影响，其整体α≈0.35～0.45），其伏安特性曲线如图4-3所示。可见流过非线性电阻的电流越大，其阻值越小，反之其阻值越大，这种特性对避雷器泄导雷电流并限制残压，减小并切断工频续流都很有利。另外，FS 型避雷器的工作电压较低（≤10kv ），而FZ 型避雷器工作电压可做到220kv 。FZ 型避雷器中的非线性电阻（均压电阻和阀片）的热容量较FS 型为大，因其工作时要长期流过工频漏电流（很小、微安级）。磁吹型避雷器有FCZ 型（电站用）和FCD 型（旋转电机用）两种，其结构与FZ 型相似，间隙上都有均压电阻，只是磁吹型避雷器采用磁吹间隙，并配有磁场线圈和辅助间隙。由于以上结构上的不同，所以对FS 型和FZ （FCZ 、FCD ）型避雷器的预防性试验项目和标准都有很大的不同。
根据《电力设备预防性试验规程》，对FS 型避雷器主要应做绝缘电阻检查和工频放电电压试验，对FZ （及FCZ 、FCD ）型避雷器则应做绝缘电阻检查和直流泄漏电流及非线性系数的测试。只有在其解体检修后才要求做工频放电电压试验（需要专门设备）。避雷器其它的预防性试验还包括底座绝缘电阻的检查、放电计数器的检查及瓷套密封性检查等。
避雷器试验应在每年雷雨季节前及大修后或必要时进行。绝缘电阻的检查应采用电压≥2500v 及量程≥2500M Ω的兆欧表。要求对于FS 型避雷器绝缘电阻应不低于2500M Ω；FZ （FCZ 、FCD ）型避雷器绝缘电阻与前次或同类型的测试值比较，不应有明显差别。FS 型避雷器的工频放电电压试验的合格值如表4-1所列。
表4-1 FS型避雷器的工频放电电压值： 额定电压（kv ）
工频放电电压大修后 9～～～31
（kv ） 运行中 8～～～33
FZ 型避雷器的直流泄漏电流及非线性系数的测试的试验电压及电导电流值如表4-2所列，所测泄漏电流值还应与历年数据相比较，不应有显著变化，同相元件电导电流差值不应大于30%。
表4-2 FZ型避雷器的直流泄漏试验电压及电导电流值： 额定电压（kv ）
1试验电压（kv ） U 2
U 2时电导电流（μA ）450～～600
电导电流差值按式4-1计算：
ΔI (%)=I max −I min ⋅100% （式4-1） I max
非线性系数按式4-2计算：
⎛U 2⎞⎟log ⎜⎜U ⎟⎝1⎠ （式4-2） α=⎛I 2⎞⎟log ⎜⎜I ⎟⎝1⎠
同相组合元件的非线性系数差值不应大于0.05。
图4-1 FS型避雷器结构及
图4-2 FZ型避雷器 图4-3 非线性电阻的 电路示意图 电路示意图 伏安特性曲线
五．仪器设备：
50/5试验装置一套
水阻一只
高压硅堆一只
滤波电容一只
微安表一只
电压表一只
高压静电电压表一只
FS-10型避雷器一只
FZ-15型避雷器一只 六．实验接线：
图4-4
绝缘电阻测试接线图 图4-5 FS型避雷器工频放电实验接线图
（a ）微安表接在避雷器处 （b ）微安表接在试验变压器尾端
图4-6 FZ型避雷器工频放电实验接线图
七．实验步骤：
1．FS-10型避雷器试验
（1）．绝缘电阻检查
测试接线如图4-4所示，测试前应把避雷器表面清洁干净，检查有无外伤，两端头有无松动及锈蚀。测试时避雷器应竖放，先检查兆欧表的零位和最大偏转位，然后夹好接线，以120转/分的速度匀速摇转兆欧表，读取稳定的读数；为消除表面泄露的影响，可做一屏蔽环并接于兆欧表的G 端，使表面泄露不影响读数。
所测得的绝缘电阻如果小于2500M Ω，可能是避雷器瓷套密封不良引起内部受潮所至。 （2）．工频放电电压测试
测试接线如图4-5所示，试验电路中应设保护电阻R ，用来限制击穿放电时的放电电流，要求将此电流幅值限制到0.7A 以下，以避免放电烧坏火花间隙；控制电路应设电流速断保护，要求间隙放电后在0.5s 内切断电源。电压测量可在低压侧进行，并通过变比折算出高压侧电压，试验步骤：
①检查接线正确后，接通电源；
②合上高压试验开关，匀速升压（≈2kv/s），直至避雷器击穿放电，并记录此时的电压值，然后将调压器电压降至零，断开高压试验开关；
③重复步骤②三次，每次间隔时间不小于1min ，取三次放电电压平均值为此避雷器的工频放电电压；
④切断电源。
2．FZ-15型避雷器试验
（1）．绝缘电阻检查
测试方法与测FS 型避雷器绝缘电阻时相同，所不同的是因FZ 型避雷器火花间隙上并联有均压电阻，故所测得的值比FS 型要小得多。规程中没有规定具体数值，但必须做相对比较。如果与前次比较明显偏小，则可能是避雷器瓷套密封不良引起内部受潮；如果明显增大，则可能是避雷器均压电阻接触不良或断裂所至。
（2）．泄漏电流及非线性系数的测试
测试接线如图4-6所示，注意高压硅堆的方向应使试验电压呈负极性，要求试验电压的脉动系数不大于±1.5%，一般是在回路上并接0.01～0.1μf 的滤波电容C ，保护电阻R 应使避雷器放电时的放电电流不大于硅堆最大允许电流，应直接测量加在避雷器上的试验电压（一般用静电电压表测量），测量准确度应在3级或以上，电导电流可在图中A 、B 、C 三处测量，以A 处为优选，注意在C 处测量时除避雷器外的其它试验设备的接地端应接于试验变压器的X 端，并空升一次以检查其它泄露情况。电流测量准确度应在0.5级或以上，试验步骤：
①检查接线正确后，接通电源；
②合上高压试验开关，匀速升压（≈2kv/s）至U 1，记录此时的电导电流（I 1），然后继续匀速升压至U 2，并记录此时的电导电流（I 2），完毕后将电压降至零，断开高压试验开关，切断电源；
③放电，对滤波电容。一般先通过电阻放电，然后再直接放电并挂上接地线。
八．实验报告：
1．用表格表示试验的详细结果；
2．根据试验记录，计算并分析试验数据；
3．判断被试品是否合格。
本期需加1个“雷电冲击电流实验”。