高电压绝缘技术讲义.ppt

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1、高电压绝缘技术高电压绝缘技术邓立林2011.121 什么是绝缘什么是绝缘 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。绪论绪论变压器故障部位变压器电压等级/kV110220330500合计线 圈1668420270主绝缘或引线198431分接开关2010232套 管1591034其 他64212变压器故障台数/台22611538379统计的变压器在役台数/台55 82120 7333 82980 383变压器故障台率(故障台数/在役台数)/%0.410.550.990.47表表1 19952001年变压器故障台数统计年变压器故障台数统计 故障类型故障类型击穿故障放电故障

2、(1)随着变压器电压等级的提高，故障台率明显升高，330500 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。2 与绝缘相关的问题与绝缘相关的问题 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为什么要

3、掌握高电压绝缘公司盈利降低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，市场信誉降低裁员公司盈利增长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，市场信誉上升升职1.1 基本概念基本概念气体放电气体放电: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。1.气体放电气体放电 介电强度介电强度均匀电场与不均匀电场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

4、程度，f=1为均匀电场，f4为极不均匀电场。式中，Emax为最大场强；Eav=；U为间隙上的电压；d为电极间最短的绝缘距离。(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。表表11 气体放电的主要外在形式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)均匀电场辉光放电火花放电、电弧放电不均匀电场辉光放电电晕放电、刷状放电、火花放电、电弧放电辉光放电辉光放电:放电光辉充满整个电极空间，电流密度在15A/cm2之间，整个间隙呈绝缘 状态。电晕放电电晕放电:高场强电极附近

5、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带电质点的产生和消失途径：途径：气体分子的电离和金属的表面电离能级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

6、到较低能级时，将以光子的形式释放出激励能。电离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。表表12 带电质点的产生带电质点的产生电离方式气体碰撞电离光电离热电离金属表面正离子碰撞阴极光电效应场致发射热电子放射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均匀电场中的气体击穿汤逊放电理论和巴申定律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 过程相对密度 标准大气条件p0=0.101325MPa，T0=293K，绝对湿度=11g/m3。击穿电压适用范围流注理论：流注理论：适用于压

7、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：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：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不均匀电场中的气体击穿放电特征放电特征电晕放电：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：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

8、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电晕放电的起始场强和起始电压 棒板间隙的气体放电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极性效应极性效应稍不均匀电场的极性效应：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。气隙放电方式短间隙电子崩流注主放电长间隙电晕放电先导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？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。表表13 不均匀电场

9、的击穿过程不均匀电场的击穿过程1.5 持续作用电压下空气的击穿电压持续作用电压下空气的击穿电压电压的分类电压的分类 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均匀电场中的击穿电压稍不均匀电场中击穿电压的估算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

10、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下空气的击穿特性雷电冲击电压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。波形参数：波形参数：视在波前时间1.230%；视在半峰值时间50 20%；峰值允许偏差 3%；图图11 雷电冲击标准波形雷电冲击标准波形放电时延放电时延有效电子：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；t

11、s：统计时延；tf：放电形成时延；雷电冲击雷电冲击50%击穿电压：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：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。2s冲击击穿电压冲击击穿电压间隙发生击穿时，放电时间小于或大于2s的概率各为 50%的冲击电压值。伏秒特性：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冲击电压下空气的击穿特性操作过电压操作过电压电力系统

12、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250/2500s操作冲击操作冲击50%击穿电压击穿电压操作冲击击穿电压与波前时间的关系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：途径：1.改善电场分布 2.采取合适的方法削弱气体的电离AB具体措施：具体措施：1.改善电极形状改善电极形状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110k

13、V 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。图图12 壳体内的场强分布壳体内的场强分布2.利用空间电荷畸变电场的作用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.高气压气体高气压气体4.1 均匀电场中的击穿

14、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 高电气强度气体高电气强度气体相对电气强度：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：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：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 高真空高真空真空断路器真空接触器 图图13 真空灭弧室真空灭弧室表表14 不同绝缘介质断路器的比

15、例不同绝缘介质断路器的比例电压/kVSF6断路器/%真空断路器/%124.1595.7640.535.3162.3472901012698225299.80.03631000.05501000.02.1 绝缘子的性能要求和材料绝缘子的性能要求和材料2.1.1 绝缘子的分类绝缘子的分类 绝缘子绝缘子: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。分分 类：绝缘子类：绝缘子 瓷瓷 套套 套套 管管2.气体中的沿面放电和高压绝缘子气体中的沿面放电和高压绝缘子图图21 绝缘子和瓷套绝缘子和瓷套2.1.2 性能要求性能要求电气性能电气性能 闪络电压 干闪络电压 湿闪络电压 人造雨水体积电阻率、细

16、小均匀、降雨量、角度 污秽闪络电压机械性能机械性能 拉伸负荷 弯曲负荷 扭转负荷 强度理论强度理论 复合材料复合材料 (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)TsaiHill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)TsaiWu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

17、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性能 热应力热应力2.1.3 绝缘子的构成绝缘子的构成 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 内外联合胶装图图22 沿绝缘子高度方向的电压分布沿绝缘子高度方向的电压分布 从图22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。电压

18、高度2.3 支柱绝缘子的计算支柱绝缘子的计算干闪距离干闪距离设计原则：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 干闪络电压的经验公式2.3.2 湿闪络电压湿闪络电压 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 机械强度机械强度2.4 套管套管套管分类：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

19、直分量时的沿面放电极不均匀电场、强垂直分量时的沿面放电图图23 沿套管表面的场强矢量沿套管表面的场强矢量法兰电极放电过程：电晕放电、辉光放电、滑闪放电、火花放电、电弧放电放电机理：热电离比电容式中，为常数；为相对介电常数；d为介质厚度。沿面放电起始电压式中，E0法兰处的场强；C0比电容；角频率；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极不均匀电场、弱垂直分量时的沿面放电 无滑闪放电

20、无滑闪放电2.6 线路绝缘子线路绝缘子分类：分类：悬式绝缘子 瓷横担绝缘子2.7 复合绝缘子复合绝缘子构成：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 图图24 复合瓷套复合瓷套应用范围：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介质表面脏污时的沿面放电污闪污闪户

21、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

22、和海拔高度对外绝缘放电电压的影响大气条件和海拔高度对外绝缘放电电压的影响外绝缘：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：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。大气校正因数大气校正因数破坏性放电电压：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。3.1概述概述绝缘配合绝缘配合 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

23、停电事故 率降低到经济上和运行上可以接受的水平。最高运行电压最高运行电压3.绝缘配合绝缘配合3.2 过电压过电压过电压过电压雷电过电压雷电过电压 直击雷过电压 雷电感应过电压 内过电压内过电压 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 弧光接地过电压图图31 感性等效电路感性等效电路电路方程为：式中，UN为端电压；为电压的相位角。可得：图图32 电流电流(00.4s)图图33 电流电流(1.82.2s)暂时过电压暂时过电压 类型过电压防护过电压防护 基本原理 措施 避雷器 接地装置 断路器并联电阻

24、 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 电抗器图图34 配电网单相接地故障示意图配电网单相接地故障示意图图图35 单相接地等值电路单相接地等值电路消弧线圈消弧线圈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

25、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。电抗器电抗器 ABEFGHACD图图34 干式空心电抗器结构干式空心电抗器结构A上接线臂；上接线臂；B线圈；线圈；C绝缘材料；绝缘材料；D铝导线；铝导线；E下接线臂；下接线臂；F绝缘子；绝缘子；G底座；底座；H撑条撑条图图35 干式空心电抗器干式空心电抗器3.3 绝缘配合的原则绝缘配合的原则绝缘试验绝缘试验 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具体措施 不同电压等级

26、 220kV 330kV 不同系统结构、地区及发展阶段3.4 绝缘配合方法绝缘配合方法确定性法确定性法 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统计法简化统计法简化统计法3.5 架空线路绝缘水平的确定架空线路绝缘水平的确定自恢复绝缘：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：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。4.1 SF6气体的基本特性气体的基本特性4.

27、SF6气体绝缘气体绝缘SF6的物理特性的物理特性(1)负电性负电性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)导热性导热性电弧弧套(弧心外围区)的平均温度为1000K3000K，SF6在2000K2500K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

28、较强的导热能力和冷却特性。熄弧过程熄弧过程 气吹从弧区排除能量 电弧的电能转换成热能(3)热稳定性热稳定性纯SF6气体，热稳定性较高，500 时仍不会分解。SF6与某些绝缘物(如硅树脂)接触时，160 200 时就分解。IEC推荐SF6的最高使用温度为180(4)气体状态参数气体状态参数理想气体的状态方程式中，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(5)缺陷缺陷酸蚀性、部分分解物有毒4.2 SF6气体在电器中的应用气体在电器中的应用4.2.1 GISGISGas 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

29、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。图图41 气体绝缘金属封闭开关设备气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)图图42 灭弧室结构图灭弧室结构图1.静弧触头静弧触头 2.静主触头静主触头 3.喷口喷口 4.动弧触头动弧触头 5.动主触头动主触头 6.压气缸压气缸4.2.2 断路器图图43 罐式断路器罐式断路器图图44 SF6断路器断路器4.3 均匀及稍不均匀电场中均匀及稍不均匀电场中SF6的击穿的击穿4.3.1 SF6气体介电强度高的原因气体介电强度高的原因负电性、分子直径大、极化负电性、分子直径大、极化

30、4.3.2 SF6的电子电离系数和附着系数的电子电离系数和附着系数空气SF64.3.3 自持放电条件和巴申定律自持放电条件和巴申定律式中，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状态和导电微粒的影响电极表面有导电微粒时电极表面有导电微粒时图45中，U=1kV，d=10mm。场强增大了20%。图图45 电极表面有导电微粒时的电场电极表面有导电微粒时的电场间隙中存在导电微粒时：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46中，U=1kV，d=10mm。场强增大了210%。图图46 空间有带导电微粒时的电场空间有带导

31、电微粒时的电场措施措施表面粗糙度要求表面粗糙度要求 带电体表面6.3m 地电位壳体内表面50m砂磨后的电极表面用百洁布抛光砂磨后的电极表面用百洁布抛光净化效应净化效应4.3.5 SF6击穿电压的概率分布和面积效应击穿电压的概率分布和面积效应概率分布概率分布 贡贝尔分布面积效应面积效应4.3.6 稍不均匀电场中稍不均匀电场中SF6的击穿的击穿同轴圆柱同轴圆柱式中，R、r分别为外径和内径。同心球同心球式中，R、r分别为外径和内径。极性效应极性效应图图47 铁心罩壳铁心罩壳4.3.7 SF6气体间隙绝缘的工程计算气体间隙绝缘的工程计算绝缘利用系数绝缘利用系数式中，f为不均匀系数。击穿电压击穿电压 电

32、极曲率系数 电极表面粗糙度系数4.4 极不均匀电场中极不均匀电场中SF6气体的击穿气体的击穿4.4.1 极不均匀电场极不均匀电场极不均匀电场与稍不均匀电场的区分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 极不均匀电场中极不均匀电场中SF6的击穿的击穿击穿电压较低的原因：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气体的冲击击穿特性4.5.1 放电时延放电时延4.5.2 伏秒特性伏秒特性4.5.3 冲击系数冲击系数4.6 SF6气体中沿固体介质表面的放电气体中沿固体介质表面的放

33、电4.6.1 固体气体介质分界面倾角对闪络电压的影响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：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：式中，E1t、E2t为场强的切向分量；E1n、E2n为场强的法向分量。可见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表面粗糙度:用于描述固体介质表面的光滑程度，数值有0.8m、1.6m、3.2m等。维持表面状况良好的措施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

34、SF6沿面绝缘的工程计算沿面绝缘的工程计算闪络电压闪络场强4.7 含含SF6的混合气体的混合气体为什么要将SF6气体与其他气体混合？5.1 液体、固体电介质的极化、电导与损耗液体、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5.液体和固体电介质的电气性能液体和固体电介质的电气性能看看自己是否完全做到了以下看看自己是否完全做到了以下4条？条？没有预习课程内容没有预习课程内容没有复习课程内容没有复习课程内容没有集中

35、注意力上课没有集中注意力上课上课打开教材，下课合上，直到下节课再重复该过程上课打开教材，下课合上，直到下节课再重复该过程原因和解释原因和解释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 偶极子产生的电场表表51 极化的类型极化的类型极化的极化的类类型型特点特点电子式极化形成极化所需的时间极短；无损耗离子式极化形成极化所需的时间很短；几乎无损耗偶极子极化形成极化所需的时间较长；有损耗夹层介质界面极化过程缓慢；有损耗空间电荷极化过程缓慢；有损耗极

36、化的类型极化的类型讨论电介质极化的意义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 电介质的电导电介质的电导固体电介质固体电介质 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 电介质的能量损耗电介质的能量损耗介质损耗：电导损耗和极化损耗介质等

37、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 液体电介质的击穿液体电介质的击穿5.2.1 击穿理论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、防尘图图51

38、滤油机滤油机5.2.4 油中沿面放电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 固体电介质的击穿固体电介质的击穿5.3.1 击穿理论击穿理论 电击穿理论 碰撞电离热击穿理论式中，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。能量平衡方程电化学击穿理论电化学击穿理论 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

39、的意义：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。图图52 局部放电监测系统的硬件结构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

40、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 电介质的其他性能电介质的其他性能 热性能热性能 耐热性 耐热等级 耐寒性 机械性能机械性能 脆性材料 材料受力后没有明显的塑性变形而发生断裂破

41、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 6.1.1 按照用途分类按照用途分类 并联电容器并联电容器 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。串联电容器串联电容器6.电力电容器和电力电缆绝缘电力电容器和电力电缆绝缘6.1 电力电容器电力电容器耦合式电容器及电容式电压互感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

42、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。脉冲电容器脉冲电容器图图61 全密封集合式并联电容器全密封集合式并联电容器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：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

43、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。比特性比特性储能因数储能因数6.1.2 电容器采用的介质电容器采用的介质对介质的要求：(1)电气性能介电强度高，大，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油纸公式(79)6.2 电力电缆电力电缆6.2.1 导电线芯及护层导电线芯及护层6.2.2 绝缘材料及结构绝缘材料及结构纸绝缘电缆橡皮及塑料电缆交联聚乙烯交联聚乙烯 1997年，瑞典ABB公司制造出一种新

44、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。图图62 电缆绕组变压器电缆绕组变压器1风扇；风扇；2XLPE电缆组成的线圈；电缆组成的线圈；3连接至变压器终端的电缆连接至变压器终端的电缆4密闭盒；密闭盒；5变压器终端；变压器终端；6铁心铁心(a)XLPE半导电层铜绞导线(b)图图63 电缆线圈电缆线圈(a)线圈模型示

45、意；线圈模型示意；(b)电缆剖面电缆剖面6.2.3 电场分布及其改善电场分布及其改善6.2.4 电缆接头盒电缆接头盒套管：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滑闪放电起始电压起始电晕电压起始电晕电压7.高压套管和高压互感器绝缘高压套管和高压互感器绝缘7.1 高压套管高压套管穿墙套管：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。图图71油纸电容式穿墙套管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 设计原理本周本周计计划：划：1.2.12月月6日日(周一周一)1.最重要的事最重要的事3.紧紧急不重

46、要的事急不重要的事2.重要且重要且紧紧急的事急的事4.不重要不不重要不紧紧急的事急的事71.32481.32.491.32.4101.324111324121.32.4有效的时间管理有效的时间管理 有限的时间有限的时间最重要最重要重要且紧急重要且紧急 紧急不重要紧急不重要不紧急不重要不紧急不重要7.2 高压电流互感器绝缘高压电流互感器绝缘电流互感器电流互感器 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。图图72 倒置式电流互感器倒置式电流互

47、感器场强的选用原则场强的选用原则计算步骤计算步骤 确定电容屏数 确定电容屏尺寸 场强校核8.电力变压器绝缘电力变压器绝缘8.1 工作条件工作条件8.1.1 分类分类油浸变压器：油浸纸绝缘 主绝缘 纵绝缘图图81 油浸变压器油浸变压器干式变压器：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B级F级H级C级平均温升(K)80100125150最大环境温度()40404040最高温度()130155185220性能指标差一般好最好B级绝

48、缘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。图图82 环氧树脂浇注干式变压器环氧树脂浇注干式变压器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。图图83 H级绝缘干式变压器级绝缘干式变压器SF6气体绝缘变压器：气体绝缘变压器无油，不易燃烧，防

49、爆。图图84 气体绝缘气体绝缘50MVA/110kV变压器变压器电缆绕组变压器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)过载能力过载能力

50、 设计的温度上限为90C，连续负载的温度为70C。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23kN/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：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。图图85 电缆绕组变压器电缆绕组变压器1风扇；2XLPE电缆组成的线圈；3连接至变压器终端的电缆4