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高电压绝缘技术讲义_图文

时间:2013-08-31

高电压绝缘技术

邓立林 2011.12

绪论
1 什么是绝缘
? 绝缘的功能是将具有不同电位的导体隔开,从而使电气设备能处于安全 状态。

表1 1995-2001年变压器故障台数统计 变压器故障部位
110 线 圈 主绝缘或引线 分接开关 166 19 20

变压器电压等级/kV
220 84 8 10 330~500 20 4 2 合计 270 31 32

套 管
其 他 变压器故障台数/台

15
6 226 0.41

9
4 115 0.55

10
2 38

34
12 379

统计的变压器在役台数/台
变压器故障台率(故障台数/在役台数)/%

55 821 20 733

3 829
0.99

80 383
0.47

(1) 随着变压器电压等级的提高,故障台率明显升高,330~500 kV变压
器故障台率是110 kV的两倍以上; (2) 变压器线圈故障占故障总数的71.2%,线圈故障对变压器危害很大

。其中,因变压器抗短路能力不够的线圈故障占线圈故障的58.1%,应更
加注意。

故障类型
击穿故障 放电故障

2 与绝缘相关的问题
? 绝缘材料 ? 气体放电 ? 液体介质的性能 ? 固体介质的性能 ? 不同介质的交界面

研究对象 ?电介质的击穿过程及其规律 ?典型电气设备的绝缘问题 ?绝缘试验及检测

3. 高压电器中的绝缘
? 绝缘子 ? 电力电容器 ? 电力电缆 ? 高压套管 ? 电流互感器 ? 变压器

4. 绝缘试验
? 绝缘特性试验

? 绝缘耐压试验

5. 为什么要掌握高电压绝缘
电器产品绝缘性能不良 通过型式试验与否 在运行中发生故障 公司成本上升,市场信誉降低 公司盈利降低 裁员

电器产品绝缘性能良好 通过型式试验 稳定运行 公司成本下降,市场信誉上升 公司盈利增长 升职

1. 气体放电
1.1 基本概念
气体放电: 将气体中流通电流的各种形式称作气体放电。

击穿与闪络:当气体间隙上的电压达到一定数值时,电流突然剧增,使气体失去
绝缘性能。气体由绝缘状态突变为良导电状态的过程,称为击穿。 当击穿过程发生在气体与液体或气体与固体的交界面上时,称为沿 面闪络。

介电强度

均匀电场与不均匀电场 (1)采用电场不均匀系数来描述电场的不均匀程度,f=1为均匀电场,f<2 为稍不均匀电场;f>4为极不均匀电场。
f ? Emax Eav

U 式中,Emax为最大场强;Eav= ;U为间隙上的电压;d为电极间最 d 短的绝缘距离。

(2)根据能否维持电晕放电来区分。若不均匀到能维持电晕放电,则是极不 均匀电场;若不能维持稳定的电晕放电,一旦放电达到自持,则整个间隙 立即击穿,就称为稍不均匀电场或均匀电场。

表1-1 气体放电的主要外在形式 低气压 高气压(1个大气压及以上)

均匀电场
不均匀电场

辉光放电
辉光放电

火花放电、电弧放电
电晕放电、刷状放电、火花放电、电弧放电

辉光放电: 放电光辉充满整个电极空间,电流密度在1-5A/cm2之间,整个间隙呈绝缘
状态。

电晕放电: 高场强电极附近出现发光的薄层,伴随着咝咝的声音和臭氧的气味,整个
间隙呈绝缘状态。

刷状放电: 由电晕电极伸出的明亮而细的断续的放电通道,电流增大,间隙仍未被击
穿。

火花放电: 贯通两电极的明亮而细的断续的放电通道,火花放电间歇地击穿间隙。 电弧放电: 持续贯通放电通道,间隙被完全击穿。

1.2 带电质点的产生和消失
途径:气体分子的电离和金属的表面电离 能级-原子具有一系列可取的确定的能量状态,称为能级。

电子伏-电子行经1V电位差的电场所获得的能量,是能量单位。这点与距
离单位-光年类似。

激励-原子的电子在外界因素作用下,跃迁到能量较高的状态。当原子由
较高能级跃迁到较低能级时,将以光子的形式释放出激励能。

电离-原子在外界因素作用下,一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成
自由电子和正离子的过程。电子的尺寸和质量远小于离子。

表1-2 带电质点的产生 电离方式 气体 碰撞电离 光电离 光电效应 热电离 场致发射 热电子放射 金属表面 正离子碰撞阴极 带电质点的消失有三种方式: 扩散 复合 消失于电极

1.3 均匀电场中的气体击穿
汤逊放电理论和巴申定律适用于气压较低、pd值较小的情况。

? 过程

? 过程
击穿电压 适用范围

标准大气条件-p0=0.101325MPa,T0=293K,绝对湿度=11g/m3。 相对密度 ? ? T0 ? p p0 T

流注理论:适用于压力较高气体的击穿,认为电子碰撞电离及空间光电离是维
持自持放电的主要因素,同时考虑了空间电荷对电场的影响。

正流注:电子崩先从阴极到阳极,在阳极附近形成正、负带电质点构成的等离
子体,然后再从阳极贯穿阴极,整个间隙击穿。

负流注:电子崩尚未贯穿间隙即形成流注,流注再贯穿气隙。 流注理论与汤逊理论的比较

1.4 不均匀电场中的气体击穿
放电特征

电晕放电:在极不均匀电场中,高场强电极周围出现的薄薄的发光层。电晕放电是
极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。

电晕放电的脉冲现象:在电晕放电的起始阶段及向击穿过渡的阶段,会出现放电
的脉冲现象,并造成对外界的电磁干扰。

电晕放电的起始场强和起始电压

极性效应
棒-板间隙的气体放电 (1)正棒-负板的电晕起始电压大于负棒-正板的电晕起始电压 (2)正棒-负板的击穿电压小于负棒-正板的击穿电压 稍不均匀电场的极性效应:

在稍不均匀电场中,不能形成稳定的电晕放电,电晕起始电压
就是其击穿电压,故负极性下的击穿电压低。

表1-3 不均匀电场的击穿过程
气隙 短间隙 长间隙 电子崩 电晕放电 放电方式 流注 先导放电 主放电 主放电

为什么长空气间隙的平均击穿场强小于短间隙?

先导放电中出现了热电离过程。

1.5 持续作用电压下空气的击穿电压
电压的分类 持续作用电压-直流电压 工频电压 冲击电压-雷电冲击电压 操作冲击电压 均匀电场中的击穿电压 稍不均匀电场中击穿电压的估算

极不均匀电场中击穿电压

1.直流电压下的击穿电压 尖-尖电极的击穿电压介于极性不同的尖-板电极之间。 正棒-负板和负棒-正板的平均击穿场强为4.5kV/cm、10kV/cm。 棒-棒间隙的平均击穿场强为5.0kV/cm。

2.工频电压下的击穿电压 棒-板间隙击穿的时刻:棒的极性为正,电压达到峰值时。 棒-板间隙的饱和现象:随着距离的增加,平均击穿场强反而降低。

1.6 雷电冲击电压下空气的击穿特性
雷电冲击电压-雷闪放电的巨大冲击电流在物体对大地的阻抗上产生持续时
间极短的过电压,或极大的电流变化陡度在电感性被击物体上产生的高电压。

同时引起热和力的问题。

雷电冲击电压标准波形
采用雷电冲击电压标准波形来模拟雷闪放电引起的过电压。

图1-1 雷电冲击标准波形 波形参数:视在波前时间1.2 μs ? 30%; 视在半峰值时间50μs ? 20%; 峰值允许偏差 ? 3%;

放电时延
有效电子:能引起电离过程,并最终导致气隙击穿的电子; t0:冲击电压升到静态击穿电压的时间;

ts:统计时延;
tf:放电形成时延;

雷电冲击50%击穿电压:在多次施加电压时,其中半数导致击穿的电压。

冲击系数:50%冲击击穿电压和持续作用电压下的击穿电压之比。

均匀电场和稍不均匀电场中的冲击系数等于1,击穿发生在波头峰值附近。
极不均匀电场的冲击系数大于1,击穿发生在波尾。

2μs冲击击穿电压-间隙发生击穿时,放电时间小于或大于2μs的概率各为
50%的冲击电压值。

伏秒特性:间隙上出现的冲击电压最大值和放电时间的关系。 伏秒特性的用途-不同间隙的绝缘配合

1.7 操作冲击电压下空气的击穿特性
操作过电压-电力系统存在电感和电容,在操作过程或发生事故时会引起振荡过程,
造成很高的过电压。

操作冲击电压标准波形-非周期性指数衰减波;衰减振荡波;
波前时间/半峰值时间-250/2500μs

操作冲击50%击穿电压

操作冲击击穿电压与波前时间的关系-U形曲线

1.8 如何提高气体间隙的击穿电压
为实现电气设备的小型化及降低成本,需要尽量减小绝缘距离。

途径:1.改善电场分布
2.采取合适的方法削弱气体的电离

具体措施: 1. 改善电极形状
1.1 增大电极曲率半径
1.2 改善电极边缘 1.3 使电极具有最佳外形

110kV CT,壳体靠近二次引线管 的位置存在最大电场强度值 23kV/mm,数值偏大。该处的圆 弧半径为5mm,将圆弧半径修改 为10mm,此时壳体靠近二次引线 管的位置(图中的A、B)场强下降 为17.9kV/mm。
A B

图1-2 壳体内的场强分布

2. 利用空间电荷畸变电场的作用
细线效应:在持续作用电压下,线径很小的导线周围产生比较 均匀的电晕层,改善了电场分布,从而能提高击穿

电压。

3. 极不均匀电场中采用屏障
屏障:在极不均匀电场中,放入薄片状固体绝缘材料,能提高击穿电压 ,这些薄片状固体绝缘材料称作屏障。

4. 高气压气体 4.1 均匀电场中的击穿电压 高气压下,击穿电压和电极的表面状态、电极的材料都有关系。 老炼效应:多次击穿能烧去电极上的毛刺和尘埃等杂物,从而改善电场分布
,提高击穿电压。

4.2 不均匀电场中的击穿电压

4.3 高气压下的措施

改善电场分布、过滤水分

5 高电气强度气体 相对电气强度:在压力和距离相同的条件下,气体的电气强度和空气的电
气强度之比。

卤化物气体电气强度高的原因:负电性、分子量和分子直径大、极化 对高电气强度的要求:液化温度低、化学稳定性好、价格便宜

6 高真空 真空断路器 真空接触器

图1-3 真空灭弧室

表1-4 不同绝缘介质断路器的比例
电压/kV
12 40.5 72 126 252 363

SF6断路器/%
4.15 35.31 90 98 99.8 100

真空断路器/%
95.76 62.34 <10 <2 0.0 0.0

550

100

0.0

2. 气体中的沿面放电和高压绝缘子
2.1 绝缘子的性能要求和材料
2.1.1 绝缘子的分类 绝缘子: 将不同电位的导体在机械上相互联接,而在电气上相互绝缘。 分 类:绝缘子 瓷 套 套 管

图2-1 绝缘子和瓷套

2.1.2 性能要求 电气性能

闪络电压
干闪络电压 湿闪络电压 人造雨水-体积电阻率、细小均匀、降雨量、角度 污秽闪络电压

机械性能
拉伸负荷 弯曲负荷

扭转负荷

强度理论
复合材料 (1)最大应力理论,认为材料主向上的应力必须小于各自方向上的强度 (2)最大应变理论,认为材料主向上的应变必须小于各自方向上的强度 (3)Tsai-Hill理论,该理论只有一个判别式,而不象前两个理论中有几个判别式 (4)Hoffman破坏理论,考虑了材料在同一方向的拉伸强度和压缩强度一般不同的特性 (5)Tsai-Wu张量理论,该理论提出了以二阶张量多项式作为破坏准则的计算方法 各向同性材料 (1)最大拉应力理论,认为最大拉应力是引起材料脆性断裂的主要原因 (2)最大伸长线应变理论,认为最大伸长线应变是引起材料断裂破坏的主要原因 (3)最大剪应力理论,认为最大剪应力是引起材料塑性破坏的主要原因 (4)形状改变比能理论,该理论认为形状改变比能是引起材料塑性破坏的主要原因

热性能
热应力

2.1.3 绝缘子的构成
绝缘件-瓷、玻璃、环氧玻璃纤维、硅橡胶 金属附件

胶合剂

2.2 支柱绝缘子
支柱绝缘子 户外支柱绝缘子 伞裙的作用 均压环 户内支柱绝缘子 外胶装 内胶装 内外联合胶装

电压

高度

图2-2 沿绝缘子高度方向的电压分布

从图2-2可以看出,电压沿绝缘子的高度是不均匀分布的,在顶端
20%的范围内,承担了60%的电压。

2.3 支柱绝缘子的计算
干闪距离 设计原则:根据干闪络电压初定绝缘件高度,根据湿闪络电压确定伞数、
伞形、绝缘高度。

2.3.1 干闪络电压
干闪络电压的经验公式

2.3.2 湿闪络电压
伞宽与伞距之比 绝缘子伞数 工频湿闪络电压(有效值)的计算公式

2.3.3 机械强度

2.4 套管
套管 分类:单一绝缘套管 复合绝缘套管 电容式套管

2.5 气体中沿固体介质表面的放电
沿面放电 闪络 2.5.1 均匀电场中沿面放电 场强不变 闪络电压低的原因: 气隙 介质表面吸附水分

2.5.2 极不均匀电场、强垂直分量时的沿面放电

电极 法兰

图2-3 沿套管表面的场强矢量

放电过程:电晕放电、辉光放电、滑闪放电、火花放电、电弧放电 放电机理:热电离 比电容
Con? r d 式中, on 为常数; r 为相对介电常数;d为介质厚度。 ? C C0 ?

沿面放电起始电压
U0 ? E0 ? C0 ? s

? 式中,E0法兰处的场强;C0比电容; 角频率;? s 表面电阻率。

提高放电起始电压的方法有:减小比电容、减小表面电阻率。
滑闪放电起始电压(有效值)的经验公式 滑闪放电火花长度的经验公式

闪络电压(峰值)
直流电压下没有明显的滑闪放电现象

2.5.3 极不均匀电场、弱垂直分量时的沿面放电
无滑闪放电

2.6 线路绝缘子
分类:悬式绝缘子
瓷横担绝缘子

2.7 复合绝缘子
构成:环氧树脂玻璃纤维、硅橡胶 特点:机械负荷由环氧玻璃纤维承受,硅橡胶提供爬电距离 硅橡胶优点:憎水性、耐高低温、耐日光紫外线辐射、耐霉菌
复合绝缘子的特点: 具有憎水性,不易污闪或湿闪 抗紫外线、抗老化 力学性能优能,抗拉、抗弯、抗扭 重量轻

图2-4 复合瓷套

应用范围:

SF6断路器

SF6互感器
穿墙套管 GIS进出线套管 支柱绝缘子

2.8 介质表面脏污时的沿面放电和污秽地区绝缘
2.8.1 介质表面脏污时的沿面放电 污闪-户外绝缘子表面积聚的污秽在雨、雾、霜、露等气象条件下,污秽物的
表面电导和泄漏电流剧增,使绝缘子的闪络电压显著降低,最终造成闪络。

机理-脏污表面气体电离和局部电弧发展、熄灭、重烯、再发展。 污闪的过程-辉光放电、局部电弧、表面闪络

2.8.2 影响脏污表面沿面放电的因素 污秽物性质与污染程度 盐、酸、碱 污染程度的判据: 污层等值附盐密度
湿润污层的表面电导率 泄漏电流脉冲

污秽等级的划分
爬电比距 大气湿度
相对湿度超过50%时,闪络电压迅速下降。

爬电距离 绝缘子直径

2.8.3 绝缘子的人工污秽闪络试验方法 洁雾试验 湿污试验 盐雾试验

2.9 大气条件和海拔高度对外绝缘放电电压的影响 外绝缘:空气间隙及电力设备固体绝缘的外露表面。它承受电压并受大气、污秽
、潮湿、动物等外界条件的影响。

内绝缘:电力设备内部绝缘的固体、液体或气体部分。它基本上不受大气、污秽
、潮湿、动物等外界条件的影响。

大气校正因数 破坏性放电电压:又称作介质击穿电压,即使介质发生破坏性放电的电压值,按
试验的不同类型可以用峰值,有效值或平均值来表示。

3. 绝缘配合
3.1概述
绝缘配合
综合考虑系统中可能出现的各种过电压、保护装置特性及设备的绝缘特

性,确定设备的绝缘水平及其使用,从而使设备绝缘故障率或停电事故
率降低到经济上和运行上可以接受的水平。

最高运行电压

3.2 过电压
过电压
雷电过电压
直击雷过电压

雷电感应过电压 L

di dt

内过电压
操作过电压 操作过电压倍数

操作过电压种类
空载线路合闸与重合闸 感性电路合闸时的过电流

电流冲击系数为1.98
切除容性电路 切除感性电路

弧光接地过电压

图3-1 感性等效电路 电路方程为:

2U N sin(? t ? ? ) ? L
? 式中,UN为端电压; 为电压的相位角。

di ? iR dt

可得:

R ? t ? ? L i ? 2 I N ? ? cos(? t ? ? ) ? e cos? ? ? ?

图3-2 电流(0-0.4s)

图3-3 电流(1.8-2.2s)

暂时过电压
类型

过电压防护
基本原理 措施 避雷器 接地装置 断路器并联电阻 363kV及以上电压等级的电网,在合空载长线时,由于系统参

数的变化,电网中电磁能量的振荡会引起较大的过电压。为限
制合闸过电压,利用合闸电阻将电网中的部分电能转化为热能, 从而达到削弱电磁振荡和限制过电压的目的。

消弧线圈
电抗器

消弧线圈

图3-4 配电网单相接地故障示意图

图3-5 单相接地等值电路

消弧线圈的脱谐度表征偏离谐振状态的程度,可以用来描述消弧线圈的补偿程度

v?

Ic ? Il ?100% Ic

式中,Ic为对地电容电流,Il为消弧线圈电感电流。
脱谐度数值的选取应适当。一方面,脱谐度的减小不仅能减小单相接地弧道中
的残流,还可以降低恢复电压的上升速度,可见脱谐度越小越好;另一方面脱谐度 的减小需要增加消弧线圈分接头数量,增加设备的复杂程度,还会使有载调节开关 频繁动作,降低设备运行的可靠性。运行经验表明,脱谐度不大于5%就能很好地灭 弧、维持较理想的残余电流和恢复电压的上升速度。

电抗器

A

B C E

F
D G H

A

图3-4 干式空心电抗器结构
A-上接线臂;B-线圈;C-绝缘材料;D-铝导线; E-下接线臂;F-绝缘子;G-底座;H-撑条

图3-5 干式空心电抗器

3.3 绝缘配合的原则
?绝缘试验
短时工频电压试验 长时间工频电压试验 操作冲击试验

雷电冲击试验

?具体措施
不同电压等级

≤220kV
≥330kV 不同系统结构、地区及发展阶段

3.4 绝缘配合方法
?确定性法 避雷器的保护水平
全波基本冲击绝缘水平(BIL) 操作基本冲击绝缘水平(BSL) 高压输变电设备的绝缘配合

?统计法 ?简化统计法

3.5 架空线路绝缘水平的确定
?自恢复绝缘:施加试验电压而引起破坏性放电后,能完全恢复其绝缘性能的绝缘。
这类绝缘一般是外绝缘,但未必都是外绝缘。

?非自恢复绝缘:施加试验电压而引起破坏性放电后,即丧失或不能完全恢复其绝缘
性能的绝缘。这类绝缘一般是内绝缘,但未必都是内绝缘。

4. SF6气体绝缘
4.1 SF6气体的基本特性
SF6的物理特性 (1) 负电性
SF6分子中,6个氟原子围绕硫原子对阵排布。原子核外,内层和外层的电子数 分别为2和7。原子核最外层电子数超过4时,便有吸附电子的能力。外层电子数 为7的氟原子在卤族元素中具有最大的电子亲和能(4.1eV),所以具有很强的吸附 电子的能力。自由电子被SF6吸附,阻碍了碰撞电离过程的发展。

(2) 导热性
电弧弧套(弧心外围区)的平均温度为1000K~3000K,SF6在2000K~2500K时 就急剧分解,并从电弧吸收热能,SF6在2000K附近的比定压热容急剧增长 ,出现导热峰值。而空气在弧套温度区没有热游离过程。在电弧弧套区内 ,SF6具有较强的导热能力和冷却特性。

熄弧过程
气吹从弧区排除能量 电弧的电能转换成热能

(3) 热稳定性
? 纯SF6气体,热稳定性较高,500 C 时仍不会分解。

SF6与某些绝缘物(如硅树脂)接触时,160? C ~200 ? C 时就分解。
? IEC推荐SF6的最高使用温度为180 C

(4) 气体状态参数
理想气体的状态方程

p ? ? RT

? 式中,p为气压, 为密度,R为气体常数,T为绝对温度。
准确实用的SF6气体的状态方程

p ? 56.2? T (1 ? B) ? ? 2 A A ? 74.9(1 ? 0.727 ? 10?3 ? ) B ? 2.51? 10?3 ? (1 ? 0.846 ? 10?3 ? )

(5) 缺陷
酸蚀性、部分分解物有毒

SF6 +Cu ? SF4 +CuF2 SF4 +SiO2 ? SiF4 +SO2

4.2 SF6气体在电器中的应用

4.2.1 GIS
GIS-Gas Insulated Switchgear,将除变压器以外的其他电气设备全部封闭 在接地金属外壳内的气体绝缘变电站。 GIS构件:包括断路器CB、电流互感器CT、电压互感器VT、避雷器AR、 隔离开关DS、接地开关ES、母线M等设备。

图4-1 气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)

4.2.2 断路器

图4-2 灭弧室结构图
1.静弧触头 2.静主触头 3.喷口 4.动弧触头 5.动主触头 6.压气缸

图4-3 罐式断路器

图4-4 SF6断路器

4.3 均匀及稍不均匀电场中SF6的击穿

4.3.1 SF6气体介电强度高的原因
负电性、分子直径大、极化

4.3.2 SF6的电子电离系数和附着系数
空气

n ? exp ? ? dx
0

x

SF6

n ? exp ? (? ? ? ) dx
0

x

4.3.3 自持放电条件和巴申定律

Eb 0.5 ? 885 pd ? p pd
式中,Eb为击穿场强,p为气压,d为间隙距离。

4.3.4 电极表面状态和导电微粒的影响
电极表面有导电微粒时 图4-5中,U=1kV,d=10mm。场强增大了20%。

图4-5 电极表面有导电微粒时的电场

间隙中存在导电微粒时:(1)导电微粒附在电极表面 (2)导电微粒带有悬浮电位 图4-6中,U=1kV,d=10mm。场强增大了210%。

图4-6 空间有带导电微粒时的电场

措施

?表面粗糙度要求
带电体表面≤6.3μm
地电位壳体内表面≤50μm ?砂磨后的电极表面用百洁布抛光 ?净化效应

4.3.5 SF6击穿电压的概率分布和面积效应 概率分布
贡贝尔分布

面积效应

4.3.6 稍不均匀电场中SF6的击穿
同轴圆柱

E?

U r ln( R / r )

式中,R、r分别为外径和内径。

同心球

E?

RU r(R ? r)

式中,R、r分别为外径和内径。

极性效应

图4-7 铁心罩壳

4.3.7 SF6气体间隙绝缘的工程计算
绝缘利用系数

??

E 1 ? av f Emax

式中,f为不均匀系数。

击穿电压
电极曲率系数 电极表面粗糙度系数

4.4 极不均匀电场中SF6气体的击穿
4.4.1 极不均匀电场 极不均匀电场与稍不均匀电场的区分
通过基本概念区分-不均匀系数 通过物理现象区分-局部放电

4.4.2 极不均匀电场中SF6的击穿 击穿电压较低的原因:
(1)电晕放电起始电压较低 (2)电极周围不易形成均匀空间电荷层

4.5 SF6气体的冲击击穿特性
4.5.1 放电时延

4.5.2 伏秒特性

4.5.3 冲击系数

4.6 SF6气体中沿固体介质表面的放电
4.6.1 固体-气体介质分界面倾角对闪络电压的影响
在不同介质交界面上,满足:

n ? (E1 ? E2 ) ? 0 n ? (D1 ? D2 ) ? ?
式中,n为交界面的法向单位矢量;E1、E2为电场强度;D1、D2为电位移;

? 为交界面上的面电荷密度。

在 ? = 0时,有:

E1t ? E2t

?1E1n ? ? 2 E2 n
式中,E1t、E2t为场强的切向分量;E1n、E2n为场强的法向分量。

E1 ? E1t 2 ? E1n 2 E2 ? E1t 2 ? (
可见

?1 E1n ) 2 ?2

?1 ? ? 2 ? E1 ? E2 ?1 ? ? 2 ? E1 ? E2 ?1 ? ? 2 ? E1 ? E2

4.6.2 固体介质表面粗糙度和表面状态对闪络电压的影响 表面粗糙度: 用于描述固体介质表面的光滑程度,数值有0.8μm、1.6μm、
3.2μm等。

维持表面状况良好的措施:
防止表面脏污、受潮
选用耐腐蚀性强的材料 清洁,密封

4.6.3 SF6沿面绝缘的工程计算

闪络电压

闪络场强

4.7 含SF6的混合气体
为什么要将SF6气体与其他气体混合?

5. 液体和固体电介质的电气性能
5.1 液体、固体电介质的极化、电导与损耗
5.1.1 电介质的极性和分类
偶极子
偶极矩 离子键 共价键 极性分子:具有极性共价键且结构不对称的分子 非极性分子:具有非极性共价键的分子或具有极性共价键且结构对称的分子 极性电介质 非极性电介质

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原因和解释
1. 讲得不好 2. 为什么要学 3. 没有时间学习

4. 晚饭在哪里
5. 晚上还有个约会 6. 电视剧的剧情如何发展 7. 教室太冷 8. 。。。

5.1.2 电介质的极化 相对介电常数 极化率 洛仑兹电场 点电荷产生的电场

? 1 q ? E? r 2 4π? 0 r
偶极子产生的电场

? 1 ql E? 4π? 0 (r 2 ? l 2 / 4)3/ 2

极化的类型

表5-1 极化的类型
极化的类型 特点

电子式极化
离子式极化 偶极子极化 空间电荷极化

形成极化所需的时间极短;无损耗
形成极化所需的时间很短;几乎无损耗 形成极化所需的时间较长;有损耗 过程缓慢;有损耗

夹层介质界面极化 过程缓慢;有损耗

讨论电介质极化的意义
绝缘材料的选用 绝缘材料的配合 介质损耗 试验判断

5.1.3 电介质的电导

固体电介质 吸收电流 泄漏电流 体积电阻:反映固体介质内部的绝缘 表面电阻:反映固体介质表面的绝缘

固体电介质的电导

体积电导

带电粒子的来源
带电粒子的产生原因 表面电导

带电粒子的来源

液体电介质的电导

低电场电导区

带电粒子的来源
高电场电导区 带电粒子的来源

分析电介质电导的意义

绝缘试验

绝缘材料的配合使用

5.1.4 电介质的能量损耗

介质损耗:电导损耗和极化损耗

介质等效电路
介质损耗角正切 并联等值电路

串联等值电路

液体电介质损耗
中性或弱极性介质损耗 极性介质损耗

固体电介质损耗

分子式结构介质的损耗 离子式结构介质的损耗 不均匀结构介质的损耗

分析介质损耗的意义

绝缘结构设计 绝缘预防性试验

5.2 液体电介质的击穿
5.2.1 击穿理论 电击穿理论 电子碰撞 气泡击穿理论 气泡放电

工程液体介质的击穿
杂质小桥- 气体小桥- 击穿

5.2.2 击穿电压
棒-棒结构 棒-板结构 球-板结构

5.2.3 影响因素及措施

影响因素

杂质
温度 电压作用时间

电场均匀程度
压力

防范措施:过滤、防潮、祛气、油固介质组合、防尘

图5-1 滤油机

5.2.4 油中沿面放电

弱垂直分量电场

强垂直分量电场
滑闪放电

5.3 固体电介质的击穿
5.3.1 击穿理论

电击穿理论
碰撞电离

热击穿理论 能量平衡方程

P ? dt ? KT ? A ?? ? dt ? c ? m ? d?
式中,P为电介质损耗功率;KT为综合散热系数;A为散热面积;c为比热;

? m为质量; 为温升。

电化学击穿理论

长时间击穿电压

局部放电:发生在电极之间,但并未贯通的放电。这种放电可以
在导体附近发生,也可以不在导体附近发生。

局部放电引起介质劣化-损伤的途径

撞击
热 氧化

局部放电

脉冲特性

真实放电量
从放电气隙的角度分析 视在放电量

从电源的角度分析
放电能量 放电重复率

测量局部放电的意义:

局部放电水平是反映电力设备绝缘状态的一个重要参数,对电力设备绝缘状态进行在
线监测是对其进行维修的基础。以变压器为例,局部放电特性是衡量电力变压器绝缘 系统质量的重要指标,110kV以上的电力变压器,在出厂试验中每台都要做局部放电

试验。变压器在安装后、交接试验中以及运行中发现油中含气量超标时,一般也要做
局部放电试验。通过在线监测变压器的局部放电,可以即时反映设备的绝缘状态并采 取相应的措施,从而提高电网运行的可靠性,有效防止非计划停电带来的重大损失。

图5-2 局部放电监测系统的硬件结构
在每相高压侧高压套管底座及套管末屏接地线上各装一宽带磁芯式电流传感器,系统通 过软件对该两路传感器脉冲信号的极性进行识别,若检测到两路信号极性相同则判定为干 扰信号;如果极性相反则判定为局放信号。利用预处理后的高压侧电压互感器(PT)信号触 发系统采集数据,以获得放电发生的相位信息。根据脉冲电流及放电发生相位的丰富信息 ,可以得到各种放电谱图及在选定时期中放电发展的趋势图,为绝缘诊断提供依据。

树枝化放电劣化
漏电痕迹

5.3.2 影响因素

电压作用时间

温度
电场均匀程度 电压的种类

累积效应
受潮 机械负荷

5.4 电介质的其他性能
热性能
耐热性 耐热等级 耐寒性

机械性能

脆性材料- 材料受力后没有明显的塑性变形而发生断裂破坏 塑性材料- 应力达到屈服极限时,有明显的屈服现象,并产生显著的塑性变形 弹性材料

吸潮性能

化学性能及抗生物特性

6. 电力电容器和电力电缆绝缘
6.1 电力电容器
6.1.1 按照用途分类
并联电容器 通常需与串联电抗器串接,以抑制电容器回路投入时的冲击电流。 串联电容器

耦合式电容器及电容式电压互感器 载波通讯-电力线载波是利用电力线作传输媒介的载波通信,不需另外架设通信
线路。电力线结构坚固,作为通信媒介使用可靠性很高。电力线载波通信是电力 部门特有的一种通信方式,特别适用于以电力系统各发电厂、变电所和开关站为 对象的电力系统调度电话、远动,及在被保护的电力线路两端间传送保护信号的 远方保护系统。

脉冲电容器

图6-1 全密封集合式并联电容器
全密封集合式并联电容器:主要用于工频50Hz 或 60Hz,额定电压6kV、10kV 、及 35kV的交流电力系统中用来提高功率因数、改善电网质量、降低线路损耗,充分发 挥输变电设备效能。 构成:由电容器单元组成的器身、波纹油箱、绝缘冷却油、出线套管、支持绝缘子 、压力释放阀及温度控制器等部件构成。

高压并联电容器成套装置

由集合式并联电容器和高压真空或六氟化硫断路器、串联电抗器、氧化锌避雷器及 放电线圈等设备组成的高压并联电容器成套装置,具有装置结构简单、体积小、容

量大、占地省、安装使用方便的优点,产品为全户外式,从而大幅度节省了基建费
用,具有良好的经济和社会效益。

比特性
储能因数

6.1.2 电容器采用的介质

? 对介质的要求:(1)电气性能-介电强度高, r 大,tg? 小;
(2)理化性能-凝固点低、无毒、不燃;
(3)工艺性-来源广泛、处理工艺简单 液体介质

固体介质

组合绝缘 油纸串联电路



CX

RX

CS

RS

? CX ? ? xd ? ? ?s A Cs ? ??? ? (1 ? x)d ? C X ? CS ? A ? C? ? ? C X ? CS d ?

?X A

? ? tg? X ? ? C X RX ? ? tg? S ? ? CS RS ? ? tg? ? ? C X ? CS tg? ? ? ( RS ? RX ) ? C X ? CS ? ?

公式(7-9)

Ud ? ? g ?s ? ? g ? Ein ? ? ? ? ?s ? ? d ?

6.2 电力电缆
6.2.1 导电线芯及护层 6.2.2 绝缘材料及结构 纸绝缘电缆 橡皮及塑料电缆

交联聚乙烯
1997年,瑞典ABB公司制造出一种新型干式电力变压器——电缆绕组变压器。该类变 压器的新颖之处,在于其绝缘全部由交联聚乙烯(XLPE)组成,即线圈是用同轴电缆绝缘 取代传统的油纸绝缘,而且每层绕组电缆外面的半导电层接地,该半导电层可以有效削 弱局部放电(或电晕)和提高变压器的安全性。由于其结构上的固有特点,因此与传统油 浸式变压器比较有许多特点,也提出了一些亟待解决的问题。

图6-2 电缆绕组变压器
1-风扇;2-XLPE电缆组成的线圈;3-连接至变压器终端的电缆 4-密闭盒;5-变压器终端;6-铁心

半 导 电 层

铜绞导线

XLPE

(a)

(b)
图6-3 电缆线圈

(a) 线圈模型示意; (b) 电缆剖面

6.2.3 电场分布及其改善

6.2.4 电缆接头盒

7. 高压套管和高压互感器绝缘
7.1 高压套管
套管:将载流导体穿过与其电位不同的金属箱壳或墙壁
滑闪放电起始电压 起始电晕电压

穿墙套管:主要用于引导高压载流导线穿过建筑物地板、楼板或屋面,从
而使载流导线对地或墙板绝缘。

图7-1油纸电容式穿墙套管

充油套管
单个油隙 多个油隙

电容式套管

结构特点

强场选择
设计原理

有效的时间管理
本周计划: 12月6日 (周一) 7 8 9 10 11 12 1. 2. 1. 最重要的事 2. 重要且紧急的事 1. 2 1. 2. 1. 2. 1. 2 1 2 1. 2. 3. 紧急不重要的事 4. 不重要不紧急的事 3 4 3 4 3 4 3 4 3 4 3 4

有限的时间

最重要

重要且紧急

不紧急不重要

紧急不重要

7.2 高压电流互感器绝缘
电流互感器

专门用作变换电流的特种变压器,互感器的一种绕组与电力线路相联,互感器
的二次绕组外部回路接有测量仪器、仪表或继电保护、自动控制装置。根据电 压等级的不同,电流互感器的一、二次绕组之间设置有足够的绝缘。

图7-2 倒置式电流互感器

场强的选用原则
计算步骤
确定电容屏数 确定电容屏尺寸 场强校核

8.电力变压器绝缘
8.1 工作条件
8.1.1 分类 油浸变压器:油浸纸绝缘 主绝缘 纵绝缘

图8- 油浸变压器 1

干式变压器:指变压器的铁芯和线圈不浸在绝缘液体中的变压器类型。它的绝缘介
质、散热介质是固体及空气。

变压器的寿命:指变压器的绝缘系统因为受热老化而失去其绝缘性能而经历的时间
。按照变压器绝缘材料的耐热等级可有如下划分:

温度等级 平均温升(K) 最大环境温度(℃)

B级 80 40

F级 100 40

H级 125 40

C级 150 40

最高温度(℃)
性能指标

130


155
一般

185


220
最好

B级绝缘产品属于早期制造的产品,性能指标差,无法满足现代化供电的要求。 F级产品相对性能较好,易于实现产业化,其主要代表为F级薄绝缘环氧树脂真空浇 注型产品。我国在八十年代末、九十年代初大量引进这种生产技术,目前国内使用 的大多是这类干式变压器。

图8- 环氧树脂浇注干式变压器 2

H级绝缘的产品在国内为九十年代的新技术,处于世界领先水平,目前在美国等发 达国家广泛应用,在美国这类产品约占干变市场的70%。虽然国内起步较晚,但其

有突出的可靠性、安全性、经济性、环保性,已广泛引起重视。

图8- H级绝缘干式变压器 3

SF6气体绝缘变压器:气体绝缘变压器无油,不易燃烧,防爆。

图8- 气体绝缘50MVA/110kV变压器 4

电缆绕组变压器
利用XLPE电力电缆的优良绝缘性能,省却了传统油浸变压器的绝缘油和相应的油 箱,具有以下优点:

1) 安全性 采用易燃材料的数量远少于常规变压器,所用材料的易燃性也远低于
常规变压器;并且用固体绝缘代替液体绝缘可降低事故的严重程度。

2) 可靠性 电缆绕组变压器结构简单、部件少以及所使用的XLPE绝缘在电、力、
热等诸多方面的优点,故较常规变压器发生故障的概率低、可靠性高。

3) 损耗 漏磁产生的杂散损耗很小,导线很细且为束绞绝缘,使得附加损耗很小
,故其总负载损耗比油浸式变压器小很多。

4) 过载能力 设计的温度上限为90? C,连续负载的温度为70? C。在此温度范围内的
XLPE电缆的老化几乎可忽略不计,即变压器可在其最高温度下运行而几乎无寿命 损失。

5) 抗短路能力 在正常运行中,电缆截面的负荷实际上是绕组的自重,通常小于2
~3kN/m,故绕组能耐受严重的短路。试验结果表明,线匝具有很强的耐受短路能 力。

6) 环境保护 固体绝缘避免了绝缘油渗漏对环境的污染,变压器本体在退役后可
完全分离,有机材料可焚化,金属材料可再回收。

缺点:省却了变压器油绝缘介质后,其散热成为该类变压器的突出问题。

图8-5 电缆绕组变压器
1-风扇;2-XLPE电缆组成的线圈;3-连接至变压器终端的电缆 4-密闭盒;5-变压器终端;6-铁心

8.1.2 对绝缘材料的性能要求
电气性能 机械性能

热性能
其他性能

8.2 高压绕组结构及绝缘特性
8.2.1 绕组结构 饼式-连续式、纠结式 圆筒式

8.2.2 油浸式变压器绝缘
变压器油 老化的原因:热老化、电老化

绝缘纸
电缆纸 电话纸

皱纹纸
NOMEX纸

高压电力设备在运行过程中易发生局放、过热、烧伤甚至起火烧毁等故障。设备

中局部温度过高,而绝缘材料耐热等级偏低以及防潮性能不强是产生故障的主要原因
。所以需要改善电力设备的温度分布,提高绝缘材料耐热等级 。 目前NOMEX绝缘纸已经在干式变压器中获得了成功应用。NOMEX纸是由美国杜

邦公司发明的高品质的绝缘材料,NOMEX是一种芳香族聚酰胺。它具有以下优点:
(1)电气性能突出,在250°C 时仍具有很高的表面电阻率和体积电阻率,工频击穿 电压达到35kV/mm,沿面放电起始电压也很高; (2)优良的机械性能,具有很强的抗撕拉强度、良好的耐磨性和韧性; (3)良好的防潮性能,这对露天运行的电力设备尤其重要; (4)耐热等级达到C级,可长期稳定地在220 °C下安全工作; (5)NOMEX纸可以降解处理,符合环保要求。 (6)同时NOMEX纸具有优良的阻燃性,安全性好。

油纸绝缘
油-屏障绝缘

8.2.3 干式变压器绝缘
浸渍型 树脂型

8.3 主绝缘
8.3.1 绕组间或对铁芯柱的绝缘
8.3.2 绕组对铁轭的绝缘 8.3.3 引线绝缘

8.4 纵绝缘
电压分布 匝间短路

8.5 内部保护
8.5.1 冲击电压下绕组间电压分布的特点
8.5.2 保护方法 静电板

纠结式绕法
内屏蔽 圆筒式

9. 绝缘试验
9.1 绝缘缺陷和绝缘试验分类

集中性缺陷
分布性缺陷 绝缘特性试验

绝缘耐压试验

9.2 绝缘电阻测量
吸收现象
吸收比 泄漏比

9.3 介质损失角正切值
9.3.1 测量的意义及原理 介质并联 介质串联

9.3.2 西林电桥

原理

结果判断

9.4 电压分布的测量
线路绝缘子
表面清洁

表面脏污
绝缘损坏

测杆

9.5 局部放电的测量
超声波探测

9.6 绝缘油的电气试验和气相色谱分析
闪点:液体挥发的蒸汽与空气形成混合物。能使该混合物遇火源后,产生一闪即
灭的燃烧现象的最低温度。

把试样装入坩埚中到规定的刻线。首先迅速升高试
样的温度,然后缓慢升温,当接近闪点时,恒速升温。 在规定的温度间隔,用一个小的点火器火焰按规定通过 试样表面,以点火器火焰使试样表面上的蒸气发生闪火 的最低温度,作为闪点。

击穿试验
tg?

的测量

气相色谱分析

9.7 耐压试验
工频交流耐压试验 工频谐振耐压试验 交流电流法判断绝缘老化 三倍频感应耐压试验

超低频耐压试验
直流耐压试验

9.8 绝缘在线监测
在线监测

离线监测

9.8.1 气相色谱分析
“MGA2000-6型变压器色谱在线监测系统”是一种高可靠性的在线监测设备,可连续 、实时、在线、自动分析变压器油中溶解气体的含量和增长率,通过故障诊断专家系 统,对变压器故障进行自动诊断,它的应用对及时发现变压器内部故障,避免事故的 发生具有十分重要意义,为设备实现定期检修向状态检修过渡提供技术保证。 “MGA2000-6型变压器色谱在线监测系统”由气体采集器(MGA2000-6-01)、数据采集

器(MGA2000-6-02)、数据处理器(MGA2000-6-03)、应用软件(MGA2000-6V2.1)、载气
及通信电缆等组成。 系统的气相色谱原理:溶解在变压器油中的故障特征气体经气体采集器采集后,在内 置微型气泵的作用下,进入电磁六通阀的定量管,定量管中的故障特征气体在载气作

用下流过色谱柱,然后,气体检测器按气体出峰循序分别将六组分气体
(H2,CO,CH4,C2H2,C2H6,C2H4)变换成电压信号。数据采集器将采集到的电压信号上 传给安装在控制室的数据处理器,数据处理器根据仪器的标定数据进行定量分析,计 算出各组分和总烃的含量以及各自的增长率,再由故障诊断专家系统对变压器故障进 行诊断,从而实现变压器故障的在线监测。

图9-1气体采集器和数据采集器

图9-2 控制室中的数据采集器

9.8.2 在线监测中红外技术的应用
红外测温仪:由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分
组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量,红外能量聚焦在光电探测器上并 转变为相应的电信号,该信号再经换算转变为被测目标的温度值。

BO2-TN1测温仪是一种红外线非接触的测温仪,具有体积小,精度 高,操作方便等优点。尺寸仅为18 x 37 x 68mm,重量仅为32克,只需 对准目标,按下测量按钮显示外表温度。TN1显示温度范围:-22至 110°C,分辨率为:0.1°C或℉到目标距离的比例为:1:1,测温仪应尽 可能接近目标,以不接触被测目标表面为准。TN1合并最大、最小、锁 定(连续)功能,并可在摄氏(°C)/华氏(℉)间转换。默认红外发 射率为:0.95。

图9-3 红外测温仪

红外热成像仪
IR928型红外热像仪,采用了世界最先进的非制冷焦平面320×240探测器技 术,具有全屏实时测温、最高温度自动追踪、现场语音记录及设定温度语音

报警功能,温度分辨率达 0.06℃。CF卡存储图像,锂电池供电时间超过2小
时,测温范围可扩展到1500℃,完善而先进的温度分析软件(复杂的图像分 析、处理、变换、自动生成报告等功能)。可广泛应用于医疗、电力、消防 、石化、冶金等行业。

图9-4 红外热成像仪

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